Giáo trình chọn giống cây trồng potx

Bảng 2.1: Những sự kiện phát triển khoa học ảnh hưởng tới chọn giống cây trồng 1694 Camerarius – nghiên cứu và phát hiện giới tính ở thực vật 1760 Linneaus – mô tả các cơ quan giới tín

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

PGS.TS.VŨ ðÌNH HOÀ (Chủ biên) PGS.TS.VŨ VĂN LIẾT PGS.TS NGUYỄN VĂN HOAN

GIÁO TRÌNH CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG

HÀ NỘI – 2005

LỜI NÓI đẦU Cách ựây hơn 10.000 năm con người ựã trực tiếp can thiệp vào sự tiến hóa và làm thay ựổi cấu trúc di truyền của thực vật ựể thỏa mãn nhu cầu của mình Bắt ựầu bằng chọn lọc những cá thể phù hợp cho sự tiến hóa, chọn lọc nhân tạo ựối với những tắnh trạng mong muốn như hạt và quả to, thời gian sinh trưởng ngắn, thấp cây, v.v ựã làm thay ựổi các loài thự vật so với họ hàng hoang dại thân thuộc Về mặt lịch sử, chọn giống ựược coi là một nghệ thuật rồi sau ựó là nghệ thuật và khoa học, ngày nay chọn giống là một ngành khoa học tổng hợp Những tiến bộ chọn giống chủ yếu diễn ra sau khi tái phát hiện các quy luật di truyền của Mendel Ngày nay khoa học chọn giống ựòi hỏi sự phối hợp của nhiều nhà khoa học trong các ngành liên quan, giữa các cơ sở nghiên cứu chọn tạo giống, trung tâm tài nguyên di truyền và các cơ sở khác tham gia vào quá trình khảo nghiệm và xác nhận giống cây trồng mới Cuộc ỘCách mạng xanhỢ ở cây lúa mì và lúa nước thông qua các gen lùn ựã mang lại cuộc sống ấm no cho hàng triệu người Tiếp tục nhờ ứng dụng công nghệ sinh học

ựể chuyển các gen có ắch, chọn giống cây trồng là một trong những ngành sản xuất ựống góp

to lớn cho lợi ắch của loài người

Với những phát triển mới trong chọn tạo giống cây trồng trên thế giới và Việt Nam, chẳng hạn như các giống ưu thế lai, những tiến bộ trong kỹ thuật di truyền, vi nhân hàng loại trong ựiều kiện in vitro, v.v cuốn giáo trình này cung cấp cho sinh viên ựại học và sau ựại học ngành chọn giống cây trồng, nông nghiệp, làm vườn những nguyên lý và kiến thức cập nhật cơ bản của chọn giống thực vật dựa trên kiến thức di truyền ứng dụng và những ngành khoa học liên quan Về cơ bản, cuốn giáo trình cập nhật thêm nhiều kiến thức của chọn giống so với các giáo trình biên soạn trước ựây Vì vậy, ựể tiếp thu tốt nội dung của giáo trình sinh viên phải có cơ sở về thực vật học, di truyền, các kiến thức sinh học, thống kê và trồng trọt ựại cương

Cuốn giáo trình gồm 14 chương chia làm 3 Phần Phần ựầu (Chương 1 Ờ 4) giới thiệu những kiến thức nhập môn làm nền tảng cho chọn tạo giống; ựó là lịch sử của tiến hóa cây trồng, quá trình chọn giống, vai trò và xu thế của chọn giống trong sản xuất nông nghiệp, nguồn gen trong chọn giống, các nguyên lý sinh sản, di truyền, ựặc biệt di truyền số lượng Phần II (Chương 5- 12) trình bày các phương pháp chọn tạo giống cơ bản, ựặc thù ựối với phương thức sinh sản: tự thụ phấn, giao phấn và sinh sản vô tắnh, ựột biến, ựa bội thể, lai xa

và ứng dụng công nghệ sinh học trong chọn giống Phần III (Chương 13 và 14) cung cấp cho sinh viên những nguyên lý liên quan tới công nhận giống, duy trì và sản xuất giống

Các tác giả sau ựây ựã ựóng góp cho cuốn giáo trình này:

1 Vũ đình Hòa, các chương I, III, IV, VII, VIII, IX, X, XII

2 Nguyễn Văn Hoan, các chương II, V, XI

3 Vũ Văn Liết, các chương VI, XIII, XIV

Chúng tối tin tưởng rằng cuốn giáo trình sẽ có ắch cho sinh viên trong việc lĩnh hội bản chất khoa học của chọn giống, cập nhật những kiến thức cần thiết ựể có thể tiếp cận những kiến thức cao hơn và lựa chọn ựể phát triển chọn tạo giống thành một nghề nghiệp

Tuy nhiên do thời gian và ựiều kiện có hạn cuốn giáo trình chưa thể ựề cập ựầy ựủ những kiến thức mà ựộc giả có thể yêu cầu và khó tránh khỏi những khiếm khuyết Rất mong nhận ựược sự ựóng góp ý kiến của ựộc giả ựể tập thể tác giả cải tiến, bổ sung trong lần xuất bản sau

Thay mặt tập thể tác giả Chủ biên

PGS TS Vũ đình Hòa

MỤC LỤC

Trang

Chương 1 Chọn giống cây trồng trong sản xuất nông nghiệp 1

3 Vai trò của chọn giống trong sản xuất nông nghiệp 3

1 Khái niệm nguồn gen thực vật và ý nghĩa của nguồn gen thực vật

2 Phân loại nguồn gen (tập ựoàn), nguồn thu thập và trung tâm

6 đánh giá, mô tả, lập cơ sở dữ liệu và sử dụng nguồn gen 16

Chương 3 Phương thức sinh sản, tắnh tự bất hợp và bất dục ựực ở

Chương 4 Di truyền số lượng trong chọn giống cây trồng 30

1 Giá trị kiểu hình, kiểu gen và các thành phần phương sai 30

5 Tương tác kiểu gen Ờ môi trường và tham số ổn ựịnh 38

Chương 5: Phương pháp lai và chọn lọc ở cây tự thụ phấn 47

Chương 6: Phương pháp chọn lọc ở cây giao phấn 59

Chương 7: Chọn giống ở cây sinh sản vô tắnh 72

Chương 8: Chọn tạo giống bằng phương pháp ñột biến 80

Chương 12: Ứng dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo giống cây

Chương 13 Khảo nghiệm và công nhận giống cây trồng 125

4 Khảo nghiệm tính khác biệt, tính ñồng nhất và tính ổn ñịnh

(DUS)

129

5 Khảo nghiệm giá trị canh tác và giá trị sử dụng (VCU) 136

CHƯƠNG I CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG TRONG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP

Mục tiêu của chương

1 Nắm ựược lịch sử thuần hóa và chọn giống cây trồng

2 Hiểu ựược bản chất của chọn giống (là sự tiến hóa ựịnh hướng, tắnh ựa ngành,v.v.)

3 Hiểu ựược vai trò của chọn giống ựối với nông nghiệp và xu thế chọn giống hiện ựại

1 Lịch sử chọn giống cây trồng

Nông nghiệp trở thành một phương pháp sản xuất lương thực thực phẩm khoảng 10.000 năm trước Là một bộ phận của nông nghiệp con người chuyển từ săn bắn, hái lượm trở thành người trồng trọt và chăn nuôi, biến ựổi hệ sinh thái phù hợp nhu cầu của mình và cũng bắt ựầu biết cách tác ựộng quá trình tiến hoá tự nhiên bằng con ựường chọn tạo giống cây trồng và vật nuôi Sự ựa dạng sinh học của trái ựất là do chọn lọc tự nhiên, còn sự ựa dạng của cây trồng và vật nuôi là do chọn lọc nhân tạo

Chậm chạp và từ từ, quá trình tiến hoá thông qua gieo trồng và chọn lọc ựã trở thành công việc thường xuyên mà ngày nay ựược gọi là chọn giống Trong quá trình ựó tắnh di truyền- sự truyền tắnh trạng từ bố mẹ cho thế hệ con cái - ựóng vai trò hết sức quan trọng Hệ quả của tắnh di truyền ựã ựược người xưa biết ựến từ khi bắt ựầu thực hành nông nghiệp

Nhiều phương pháp khác nhau ựã phát triển trong chọn giống cây trồng Một trong những phương pháp quan trọng nhất là phương pháp chọn lọc đây là phương pháp sơ khai nhất bắt ựầu cùng với sự thuần hóa nhưng cũng là phương pháp thành công nhất trong chọn giống thực vật Quá trình chọn lọc ựã làm thay ựổi ựặc ựiểm di truyền của cây trồng lương thực, thực phẩm chủ yếu thông qua chọn lọc vô ý thức và có ý thức theo cảm nhận

về giá trị sử dụng, thẩm mỹ, kinh tế của con người (sự tiến hoá có ựịnh hướng) (Bảng 1.1)

Theo Nicolai I Vavilov, có 8 trung tâm khởi nguyên của những loài cây trồng quan trọng (vùng ựịa lý có sự ựa dạng di truyền lớn nhất) mà tại ựó cây trồng ựược thuần hoá từ các loài tổ tiên của chúng Vắ dụ, lúa mì ựược thuần hoá ở vùng Cận đông; ngô ở Trung Mỹ; lúa nước ở ấn độ, Trung Quốc và đông Nam Á Thuần hoá và chọn giống là sự thúc ựẩy sự tiến hoá có ựịnh hướng của con người

Khả năng phân biệt và lựa chọn ựã hình thành ý tưởng chọn lọc đây là phương pháp sơ khai nhất nhưng cũng là phương pháp thành công nhất trong chọn giống cây trồng điều kiện tiên quyết của chọn lọc là sự ựa dạng hay sự biến ựộng di truyền của quần thể Chỉ những cá thể có năng suất cao nhất, thoả mãn nhất theo mục ựắch từ quần thể ựa dạng ựược lựa chọn, phần còn lại bị loại bỏ Thế hệ con của các cá thể ựược chọn ựược tiếp tục gieo và sàng lọc Quá trình ựó lặp ựi lặp lại cho ựến khi quần thể ựồng nhất có nhiều tắnh trạng mong muốn nhất

Bảng 1.1: Sự thay ựổi di truyền của cây gắn liền với quá trình thuần hoá và chọn lọc

Mất tắnh ngủ nghỉ Lúa nước, lúa mì, kiều mạch

Chuyển từ lâu năm sang một năm Lúa nước, lúa mì ựen, sắn

Mất khả năng ra quả Củ từ, khoai lang

Mất khả năng hình thành hạt Chuối, cam quýt

Tuy nhiên, chọn lọc các giống cây trồng năng suất cao không phải là công việc dễ dàng Nhiều công cụ khác nhau ñược sử dụng ñể hỗ trợ cho chọn lọc Vì vậy, chọn giống khoa học ngày nay gắn liền với sự phát triển của các ngành khoa học khác (Bảng 2.1)

Bảng 2.1: Những sự kiện phát triển khoa học ảnh hưởng tới chọn giống cây trồng

1694 Camerarius – nghiên cứu và phát hiện giới tính ở thực vật

1760 Linneaus – mô tả các cơ quan giới tính ở một số loài thực vật và tạo ta

con lai khi lai các giống khác nhau

1760 Koelreuter – người tiên phong trong việc lai giống; ñã lai và mô tả số

lượng lớn con lai trong và giữa các loài thuốc lá

1859 Darwin công bố cuốn sách “Về nguồn gốc các loài thông qua chọn lọc

tự nhiên” gây tác ñộng mạnh mẽ tới chọn giống

1865 Mendel ñề xuất các ñịnh luật di truyền

1870 Beal chứng minh sứu sống con lai (hybrid vigor) ở ngô khi lai 2 giống

không có quan hệ họ hàng

1900 Tái phát hiện ñịnh luật di truyền Mendel do Tshermak, Correns và De

Vries mở ra một kỷ nguyên mới trong di truyền học và chọn giống dựa vào các nguyên lý di truyền

1903 Johannsen - học thuyết dòng thuần, mối quan hệ giữa kiểu hình và kiểu

gen 1904-1918 Shull, East, Jones – phát hiện sự suy thoái tự phối và ưu thế lai ở ngô,

mở ñầu cho việc sử dụng giống lai F1 trong sản xuất 1928-1929 Mueller và Stadler - ðột biến phóng xạ

1953 Watson, Crick và Wilkins – mô hình xoắn kép của phân tử ADN

1960s Cách mạng xanh bắt ñầu bằng các giống lúa mì tạo ra ở Mexico (mang

gen lùn, năng suất cao, thích ứng với ñiều kiện của các nước nghèo, vùng á nhiệt ñới) – giải Nobel Hoà Bình dành cho N Borlaug năm 1970 1970s Kỹ thuật ADN tái tổ hợp

1970's Các giống lúa nước thấp cây có năng suất cao ñược ñưa vào Việt Nam,

ví dụ IR-8, IR5 , làm thay ñổi mùa vụ biến vụ xuân thành vụ lúa chính 1980s Kỹ thuật di truyền phân tử RFLP, AFLP, RAPD bản ñồ gen

1990's Kỹ nghệ chuyển gen và ñưa cây chuyển gen vào sản xuất, với 58,7 triệu

ha năm 2002 trên toàn thế giới

2 Chọn giống cây trồng là gì?

Chọn giống cây trồng là nghệ thuật và khoa học cải tiến tính di truyền của thực vật vì lợi ích của loài người (Poehlman và Sleper, 1995) Chọn giống cây trồng ñồng nghĩa với cải tiến cây trồng Trong quá khứ, khi con người biết thuần hóa cây dại thành cây trồng chọn giống là nghệ thuật chọn lọc, ñó là khả năng quan sát và phân biệt những cá thể phù hợp mục ñích kinh tế, thẩm mỹ của mình Chọn giống mang tính khoa học diễn ra trong khoảng

200 năm trở lại ñây, ñặc biệt sau khi tái phát hiện các ñịnh luật di truyền của Mendel vào ñầu thế kỷ 20 và chọn giống mang tính khoa học nhiều hơn tính nghệ thuật Gần ñây, công nghệ sinh học và kỹ thuật di truyền cho phép chuyển bất kỳ gen nào vào cây, gọi là cây chuyển gen Bảng 3.1 so sánh một số ñặc ñiểm của phương pháp chọn giống truyền thống

và phương pháp chọn giống hiện ñại (Công nghệ sinh học)

Bảng 3.1: Phương pháp chọn giống truyền thống và phương pháp chọn giống áp dụng công nghệ sinh học

ðặc ñiểm Chọn giống truyền thống Chọn giống hiện ñại

Gen ñược chuyển Chỉ các gen từ cây trồng

cùng loài hoặc các loài họ hàng tương hợp

Gen có ích từ bất kỳ cơ thể sống nào (vi rut, vi khuẩn, thực vật, nấm men, ñộng vật, v.v.)

Phương pháp chuyển gen Lai và chọn lọc Kỹ thuật di truyền

Thời gian thu nhận cây mới Trên 2 năm Dưới 2 năm

Chi phí chọn giống Chi phí thấp Chi phí cao

Công nghệ sử dụng Cơ bản và ñơn giản Kỹ thuật cao và khó

2 Vai trò của chọn giống trong nông nghiệp

ðể tăng năng suất cây trồng cần phải ñảm bảo các yếu tố quan trọng sau:

- Kiểu gen (giống)

- Nước

- Dinh dưỡng

- Quản lý dịch hại (sâu bệnh)

- ðiều kiện ñất ñai

- Hạt giống

Cải tiến cây trồng thông qua chọn giống chỉ là một yếu tố ñể cải tiến năng suất Bốn yếu tố, nước, dinh dưỡng, quản lý dịch hại và ñiều kiện ñất ñai hợp thành biện pháp canh tác tạo ra môi trường tối ưu cho cây trồng sinh trưởng và phát triển Giống (kiểu gen) biểu thị khả năng sản xuất của cây trong một môi trường nhất ñịnh

Như vậy, ñể tăng năng suất phải cải tiến cả môi trường sinh trưởng cho cây lẫn cải tiến ñặc ñiểm di truyền Năng suất tối ña không thể ñạt ñược chỉ bằng biện pháp canh tác tốt hay chỉ bằng giống ñược cải tiến Không có biện pháp canh tác tốt phù hợp thì tiềm năng năng suất của giống sẽ bị lãng phí; không có giống tốt thì lợi ích và hiệu quả của các biện pháp canh tác không ñạt tối ña

Thành quả chọn tạo giống cây trồng trên phạm vi thế giới ñã nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm nông nghiệp, thoả mãn nhu cầu ngày càng cao của loài người ðiển hình là “ Cách mạng xanh” từ thập kỷ 60 của thế kỷ 20 ñã làm tăng vọt năng suất cây trồng, chủ yếu là lúa mì, lúa nước, ngô do cải tiến kiểu gen kết hợp với cải tiến kỹ thuật (phân ñạm, tưới tiêu, cơ giới hoá) Ở Việt Nam công tác giống cây trồng không chỉ góp phần vào việc tăng năng suất, chất lượng mà làm thay ñổi cả cơ cấu mùa vụ, tính ña dạng của sản phẩm, bảo ñảm an ninh lương thực, v.v Năng suất lúa, ngô và nhiều cây trồng khác không ngừng tăng trong nhiều thập kỷ qua (Bảng 4.1, Hình 1.1)

Mục tiêu chọn giống

Tạo giống mới là áp dụng các nguyên lý di truyền và các khoa học liên quan khác ñể cải tiến ñặc ñiểm di truyền

Mục tiêu chính của chương trình chọn giống gồm:

- Nâng cao năng suất hạt, sợi, thức ăn, dầu, ñường, quả, Năng suất có thể cải tiến thông qua khả năng sinh trưởng của cây, khả năng sử dụng ánh sáng, CO2, nước và dinh dưỡng có hiệu quả (Ví dụ, các nhà khoa học chuyển gen cây C4 vào cây lúa nước ñể tăng khả năng quang hợp)

- Cấu trúc của cây

- Lá ñứng – trồng dày hơn

- Thấp cây – chống ñổ tốt hơn, tăng hệ số kinh tế, tăng hiệu quả sử dụng nước

- Khả năng chống chịu

- ðiều kiện bất lợi của môi trường (hạn, rét, chua, mặn, v.v.)

- Kháng sâu, bệnh (gen Bt chống sâu, gen mã hoá vỏ protein kháng vi rut )

- Kháng thuốc trừ cỏ

- Chất lượng: thành phần dinh dưỡng (vitamin A - Beta-carotene ở giống Lúa Vàng, tăng khả năng bảo quản (cà chua), vacxin dựa vào thực phẩm (cà chua, khoai tây)

Bảng 4.1: Năng suất lúa Việt Nam và thế giới (1975-2000)

Giống lai ñơn

Hình 1.1: Năng suất ngô từ năm 1870 ñến năm 1996

3 Xu hướng phát triển của chọn giống cây trồng

Chon tạo giống cây trồng là một công việc sáng tạo, cần thiết ñể giải quyết vấn ñề lương thực, thực phẩm, sợi toàn cầu cho hiện tại và tương lai trong bối cảnh ñất trồng trọt bị thu hẹp, tăng dân số và nhu cầu không ngừng thay ñổi

Buổi ñầu của chọn giống thành công có thể ñạt ñược bằng các phương pháp chọn tạo giống ñơn giản, như chọn lọc các cá thể mong muốn nhất từ những quần thể tự nhiên Tại thời ñiểm ñó tính nghệ thuật (khả năng quan sát và xác ñịnh sự khác nhau về giá trị kinh tế, thẩm mỹ… giữa các cá thể trong quần thể của cùng một loài) ñóng vai trò quan trọng Với sự cải tiến cây trồng thông qua chọn giống yêu cầu ñối với giống tăng lên; mỗi mục tiêu ñược giải quyết lại là ñiểm xuất phát của những nhiệm vụ mới, phức tạp hơn

ðể tạo ra nguồn biến dị mới có nhiều tính trạng mong muốn, nhà chọn giống phải

áp dụng nhiều phương pháp khác nhau: lai, ñột biến, ña bội thể, tạo giống lai, và gần ñây là công nghệ sinh học Trong xu hướng phát triển, tiến bộ của chọn giống ngày càng ñòi hỏi ñầu tư cao hơn, thiết bị hiện ñại hơn Chẳng hạn, muốn chọn ñược một cây ñậu lupin nghèo alkaloid phải phân tích 1,5 triệu cá thể; ñể tìm ra một cây không tách vỏ phải kiểm tra 10 triệu cây (Keppler, 1963) Tương tự, ñể tìm ñược một thể ñột biến ñơn gen về protein ở cây tự thụ phấn phải gieo trồng khoảng một triệu cá thể (Oram và Brock, 1972) Hơn nữa, chọn giống hiện ñại không chỉ liên quan tới việc cải tiến một tính trạng ñơn lẻ

mà nhiều tính trạng phức tạp hơn

Do tính phức tạp của chọn giống ngày một tăng nên sự ñóng góp của nhiều ngành khoa học vào chọn giống (di truyền học và các ngành khoa học có liên quan) cũng tăng lên Cơ sở khoa học của chọn giống hiện ñại ngày một rộng hơn, mang tính tổng hợp của nhiều môn khoa học khác như tế bào học, sinh học phân tử, thực vật học và phân loại học, sinh lý, bệnh cây, côn trùng, hóa học, thống kê ðầu thế kỷ 20 các phương pháp chọn giống chủ yếu dựa vào kinh nghiệm Khi di truyền học tạo cơ sở lý thuyết các phương pháp chọn giống có hiệu quả hơn mới ñược áp dụng, ñó là phương pháp chọn lọc chu kỳ, phương pháp cải tiến quần thể, phương pháp hồi quy Việc sử dụng ưu thế lai và bất dục ñực từ giữa thế kỷ 20 và cây trồng chuyển gen vào cuối thế kỷ 20 sẽ không thực hiện ñược nếu không có sự phát triển của sinh học hiện ñại Những tiến bộ gần ñây nhất về nuôi cấy mô, tế bào và kỹ nghệ di truyền như dòng hóa gen và chuyển nạp gen ñã cho phép các nhà chọn giống thiết kế những phương pháp mới

Hiệu quả của công tác chọn tạo giống hiện ñại cũng ñòi hỏi sự hợp tác quốc tế, cả trong công tác chọn giống lẫn công tác khảo nghiêm và trao ñổi nguồn gen Nhiều tổ chức quốc tế và khu vực ñược hình thành nhằm hỗ trợ, xúc tiến tiến ñộ chọn giống và sử dụng giống mới Những tổ chức quốc tế và khu vực liên quan gồm: Viện nghiên cứu Lúa quốc tế (Philippin), Trung tâm cải tiến Lúa mì và Ngô quốc tế (Mêhicô), Trung tâm Khoai tây quốc tế (Peru), Trung tâm Nông nghiệp Nhiệt ñới (Colombia), Viện Nông nghiệp nhiệt ñới (Nigeria), Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Rau châu Á, v.v

Câu hỏi ôn tập

1 Chọn giống cây trồng là gì? Tại sao người ta gọi chọn giống là sự tiến hóa có ñịnh hướng của con người?

2 Sự khác nhau giữa tính nghệ thuật và tính khoa học trong chọn giống

3 Nêu những áp dụng của một số ngành khoa học: sinh lý thực vật, bệnh cây, thông

kê sinh học trong chọn giống

4 Nêu vai trò của chọn giống ñố với sản xuất nông nghiệp

5 Mô tả trình phát triển của khoa học chọn giống cây trồng trong khoảng 200 năm trở lại ñây

CHƯƠNG II NGUỒN GEN THỰC VẬT TRONG CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG

Mục tiêu học tập của chương

1 Hiểu ựược sự cần thiết, vai trò và ý nghĩa của nguồn gen và ựa dạng di truyền trong chọn giống và nông nghiệp

2 Nắm ựược các trung tâm phát sinh và ựa dạngg cây trồng trên thế giới

3 Phân loại ựược nguồn gen thưc vật sử dụng trong chọn giống và trong ựời sống

4 Phân tắch ựược sự cấp thiết và phương pháp thu thập, bảo tồn và sử dụng nguồn tài nguyên di truyền thực vật

1 Khái niệm nguồn gen thực vật và ý nghĩa của nguồn gen thực vật trong chọn giống

Nguồn gen thực vật là một tập hợp vật liệu thực vật, có thể là các giống giống ựịa phương, các giống cải tiến, hay các loài hoang dại họ hàng thân thuộc, v.v làm cơ sở cho cải tiến cây trồng, chọn tạo giống cây trồng mới hay các hoạt ựộng nghiên cứu có liên quan đó là một tập hợp tắnh ựa dạng di truyền ở thực vật ựược tắch luỹ qua nhiều năm tiến hoá trong ựiều kiện chọn lọc tự nhiên và nhân tạo Nguồn gen cũng có nghĩa là cung cấp thông tin ựã tư liệu hoá về nguồn gen liên quan tới một loài trong các ngân hàng gen trên toàn thế giới ựể các nhà chọn giống sử dụng

Một thuật ngữ khác do Nhóm chuyên gia về khám phá và du nhập thực vật của FAO năm 1970 dùng ựể chỉ nguồn gen là Tài nguyên di truyền (Các Trung tâm tài nguyên

di truyền) Mục tiêu chắnh của các trung tâm tài nguyên di truyền là bảo tồn nguồn gen lâu dài, nhân và phân phối nguồn gen

Sự tập hợp sự ựa dạng di truyền hay nguồn gen thực vật cung cấp nguồn biến dị to lớn cho các chương trình chọn giống ựể tạo ra các giống mới ưu việt có nhiều tắnh trạng mong muốn Nguồn vật liệu càng ựa dạng bao nhiêu, thì khả năng/xác suất tạo ra giống tốt càng cao bấy nhiêu Vavilov, nhà chọn giống người Nga ựã nhận ra nguyên lý giản ựơn này từ những năm ựầu của thế kỷ 20 Trong khoảng từ 1923 ựến 1931, Vavilov ựã tổ chức nhiều ựoàn thám hiểm và thu thập cây trồng trên toàn thế giới, với trên 300.000 mẫu của các dạng trồng trọt lẫn các loài hoang dại họ hàng và ựã chứng minh sự ựa dạng di truyền của cây trồng và ý nghĩa của tắnh ựa dạng ựối với chọn giống Công trình ựiều tra, thu thập

và phân loại ựã cung cấp nguồn dữ liệu giá trị và ý nghĩa to lớn về phân bố cây trồng trên thế giới, số giống trong một loài, sự biến ựộng của các tắnh trạng có ắch, dãy biến dị tương ựồng, tần số và sự phân bố các gen ựối với các tắnh trạng ựặc thù, v.v Trên cơ sở các công trình này Vavilov ựã kết luận và ựề xuất 8 trung tâm khởi nguyên cây trồng trên thế giới (Bảng 1.2.) Ngày nay, nhiều trung tâm quốc tế, trung tâm vùng và quốc gia ựược thành lập

ựể thu thập và bảo tồn nguồn gen

đặc biệt, việc thu thập và bảo tồn nguồn gen ngày càng trở nên cấp thiết do nguy cơ sói mòn gen hay sói mòn di truyền Hàng nghìn giống ựịa phương của hàng trăm loài hình thành do chọn lọc tự nhiên và nhân tạo và các loài họ hàng ựang mất dần và bị thay thế bởi các giống mới và khai hoang mở rộng diện tắch trồng các giống cải tiến Sự mất mát ựáng

kể nhất xảy ra trong những thập kỷ gần ựây Vắ dụ, trong năm 1949 Trung Quốc gieo trồng gần 10.000 giống lúa mì , nhưng ựến năm 1970 số lượng giống chỉ còn khoảng 1.000 (FAO, 1995)

2 Phân loại nguồn gen (tập đồn), nguồn thu thập và trung tâm khởi nguyên

2.1 Phân loại nguồn gen thực vật

Nguồn gen thực vật được phân thành một số loại sau:

i) Tập đồn cơ bản (base collection): ðây là những tập hợp lớn của nguồn gen được giữ bằng hạt trong kho quốc gia và quốc tế để bảo tồn lâu dài, chứa đựng thơng tin di truyền của mỗi lồi được bảo quản dại hạn (các trung tâm bảo tồn) Nguồn gen này chỉ cung cấp

và sử dụng trong những trường hợp cần thiết, khi tập đồn hoạt động bị thiếu hụt, mất mát

ðể bảo quản lâu dài cần cĩ những điều kiện cần thiết giữ được tỉ lệ nảy mầm và tính ổn định di truyền Hạt thường được bảo quản ở điều kiện nhiệt độ -18 đến -20oC với độ ẩm 3-5% Hạt được đĩng gĩi trong bao bì kín cách ly với mơi trường ngồi và kiểm tra định kỳ tỉ

lệ nảy mầm

ii) Tập đồn hoạt động (active collection): Tập đồn này gồm các mẫu giống các loại cây trồng cụ thể của tập đồn cơ bản được lặp lại, được bảo quản với số lượng lớn trong điều kiện thích hợp, được tư liệu hố và được các nhà chọn giống sử dụng trực tiếp cho cơng tác chọn tạo Tập đồn hoạt động thường xuyên biến động và được nhân bổ sung để sử dụng ðiều kiện bảo quản ở mức trung hạn (10-15 năm) ở nhiệt độ 5oC, độ ẩm khơng khí tương đối 30-45% và độ ẩm hạt 7-8% Nếu số lượng và nguồn gốc địa lí của các mẫu giống đạt tới luợng đáp ứng nhu cầu tồn thế giới thì tập đồn cơng tác đĩ được gọi là Tập đồn thế giới

iii) Tập đồn cơng tác (working collection): Là tập đồn gồm số lượng mẫu giống cần thiết do cơ sở nghiên cứu giữ phục vụ cho cơng tác chọn tạo giống hoặc nghiên cứu Tập đồn cơng tác thường được bảo quản ngắn hạn (2-3 năm) ở nhiệt độ 18-20oC, độ ẩm khơng khí 50-60%, hàm lượng nước trong hạt 8-10%

Cĩ 3 nguồn đa dạng di truyền được thu thập

i) Cây hoang dại và các dạng sơ đẳng tại các trung tâm đa dạng sơ cấp (khởi nguyên) Nguồn gen này được thu thập thơng qua các đồn thám hiểm cĩ tổ chức tới các vùng đa dạng cây trồng

ii) Thực vật du nhập sống trong các trung tâm trồng trọt thứ cấp, nơi mà sự đa dạng được

bổ sung Nguồn gen này cũng cĩ thể thu thập thơng qua các đồn thám hiểm tới các vùng thích hợp

iii) Sản phẩm của quá trình chọn giống, bao gồm đột biến cảm ứng, đa bội thể, các dịng chọn giống kết hợp được nhiều tính trạng cĩ lợi, các giống cải tiến (Hình 2.2a, 2.2b)

2.2 Trung tâm khởi nguyên của cây trồng

Alphonse de Candolle (1886) là người đầu tiên đề xuất ý tưởng về Trung tâm khởi nguyên của cây trồng De Candolle cho rằng trung tâm khởi nguyên của cây trồng là vùng

đa dạng mà tại đĩ cây được thuần hố đầu tiên và cịn tồn tại các dạng tổ tiên hoang dại ðiều đĩ cĩ thể hỗ trợ thơng qua bằng chứng khảo cổ, lịch sử và ngơn ngữ học

ðầu những năm 1920 của thế kỷ 20 Nikolai I Vavilov mở ra một phương pháp mới

để định vị nguồn gen và ứng dụng kiến thức đĩ vào thực tiễn chọn giống Nguồn gen khổng

lồ thu thập và tập hợp tại Viện Thực vật tồn Liên bang là nguồn gen phong phú nhất thế giới thời bấy giờ đã giúp Vavilov đề xuất 8 trung tâm khởi nguyên của cây trồng hay trung tâm địa lý của tính đa dạng (Bảng 1.2, Hình 1.2; 2.2; 3.2) Sự tập trung mang tính địa lý của tính đa dạng là một hiện tượng thực tế, phản ánh ý nghĩa về địa lý và nơng học Vavilov cũng đề xuất luật của dãy biến dị tương đồng: các cây trồng quan hệ gần nhau cĩ những biến dị giống nhau

Qua nhiều năm nghiên cứu các nhà khoa học ựã chỉ rõ sự chuyển dịch của nhiều loài cây trồng từ trung tâm khởi nguyên ựến các vùng ựất xa xôi vì mục ựắch trồng trọt dẫn ựến sự hình thành các trong tâm ựa dạng thứ cấp

các phần tử tự nhiên khác trong cùng môi trường sống Vắ dụ, trung tâm sơ cấp của khoai

tây ở Nam Mỹ, của ngô ở Trung Mỹ

Trung tâm thứ cấp: Tại trung tâm thứ cấp những yếu tố sinh vật và phi sinh vật bất lợi trở thành những yếu tố chọn lọc Các giống sơ ựẳng ở trung tâm thứ cấp là một phần quan trọng của nguồn gen vì có sự tham gia, tác ựộng của con người trong quá trình hình thành

Ở nhiều mặt, những trung tâm thứ cấp này ựã trở thành nguồn thu thập gen quan trọng, ựặc biệt ựối với các hệ sinh thái, sinh học khác nhau Vắ dụ, trung tâm thứ cấp của cà phê ở Braxin

Sau công trình công bố của Vavilov về nguồn gốc của cây trồng, rất nhiều thông tin,

dữ liệu ựược tắch lũy về vấn ựề này Zhukovsky (1968) ựã xắp sếp lại bản ựồ thế giới về trung tâm khởi nguyên và phân bố nguồn gen thực vật Những vùng lớn ựược chia thành những tiểu vùng ựặc thù cho các loài nhất ựịnh, hình thành bản ựồ thế giới mới về tắnh ựa dạng di truyền mang tên Vavilov- Zhukovsky về trung tâm ựa dạng và tài nguyên thực vật

Bảng 1.2: Các trung tâm ựa dạng di truyền của cây trồng trên thế giới

Trung tâm khởi nguyên Các loài cây trồng quan trọng

1 Trung tâm Trung Quốc Lúa miến, ựậu tương, tre trúc, hoa cúc, mơ, cải, ựào, cam

quýt

2 Trung tâm Ấn độ Lúa nước, cà, dưa chuột, xoài, mắa

2a Trung tâm Indo-Malay Chuối, mắt, dừa, mắa

3 Trung tâm Trung á Lúa mì, lanh, ựậu, bông, hạnh nhân

4 Trung tâm Cận đông Lúa mì, ựại mạch, mì ựen, lanh

5 Trung tâm đại Trung

Hải

Lúa mì, ựậu lupin, cỏ ba lá, lanh, ô liu, cần tây, v.v

6 Trung Tâm Abixini Lúa mì cứng, cao lương, cà phê, hành tây, v.v

7 Trung tâm Mêhicô và

Hình 1.2: Các trung tâm khởi nguyên của cây trồng

I Trung tâm Trung Quốc

II Trung tâm Ấn độ

IIa Trung tâm Indo-Malay

III Trung tâm Trung Á

IV Trung tâm Cận đông

V Trung tâm địa Trung Hải

VI Trung Tâm Abixini VII Trung tâm Trung Mỹ VIII Trung tâm Nam Mỹ VIIIa Trung tâm Chiloe VIIIb Trung tâm Brazin Ờ Paraguay

giống ngô ựịa phươn g

Hình 3.2: Sự ựa dạng của các giống ựậu

Phaseolus ở Peru

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 và Nghiên cứu cây

trồng trung ương

Hà Lan Viện Chọn giống cây làm vườn, Viện chọn giống cây trồng, Viện

nghiên cứu giống cây trồng, Trạm kiểm nghiệm giống

In ựô nê xia Viện Sinh học quốc gia, Bogor

Italia Phòng Nghiên cứu nguồn gen, đH Bari

Mêhicô Viện nghiên cứu nông nghiệp quốc gia

Mỹ Hệ thống nguồn gen thực vật quốc gia (NPGS), Bộ Nông nghiệp

Mỹ

Nhật Bản Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc gia Yatabe, Tsukuba,

Viện Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc gia Kyoto Pháp Viện Nghiên cứu Nhiệt ựới và cây lương thực (IRAT), Viện

Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc gia (INRA), Cơ quan nghiên cứu khoa học và kỹ thuật hải ngoại

Ôxtrâylia Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Liên hiệp Anh

(CSIRO), Bộ Nông nghiệp bang New South Wales Thuỵ điển Ngân hàng gen Scandivania

3.2 Các trung tâm tài nguyên di truyền quốc tế và vùng

Các trung tâm nghiên cứu nông nghiệp quốc tế và vùng gồm:

- Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI), Los Banos, Philippin

- Trung tâm Cải tiến ngô và lúa mì quốc tế (CIMMYT), El Batan, Mêhicô

- Viện Nông nghiệp nhiệt ựới (IITA), Ibadan, Nigeria

- Trung tâm Nông nghiệp quốc tế (CIAT), Cali, Colombia

- Trung tâm nghiên cứu và huấn luyện nông nghiệp nhiệt ựới (CATIE), Turrialba, Costa Rica

- Ngân hàng Khoai tây đức-Hà Lan, Braunschweig, CHLB đức

- Viện nghiên cứu cây trồng quốc tế cho vùng nhiệt ựới bán khô hạn (ICRISAT),

Hyderabad, Ấn độ

- Trung tâm khoai tây quốc tế (CIP), Lima, Peru

- Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp quốc tế vùng khô hạn (ICARDA), Aleppo, Syria

- Trung tâm nghiên cứu và phát triển rau châu Á (AVRDC), Shanhua, đài Loan

3.3 Viện Tài nguyên di truyền thực vật quốc tế (IPGRI)

Viện Tài nguyên di truyền thực vật quốc tế (IPGRI) do Nhóm tư vấn về nghiên cứu nông nghiệp quốc tế (CGIAR) thành lập năm 1974 (ban ựầu là Hội ựồng Tài nguyên Di truyền Thực vật Quốc tế, IBPGR) có trụ sở ựặt tại Tổ chức Luơng thực và Nông nghiệp của Liên hiệp quốc (FAO) ở Rôm, Italia Viện Tài nguyên di truyền thực vật quốc tế nghiên cứu, thu thập, bảo tồn, tư liệu hoá, ựánh giá và sử dụng sự ựa dạng di truyền của cây trồng

có ắch vì lợi ắch của con người trên toàn thế giới Viện Tài nguyên di truyền thực vật quốc

tế ựóng vai trò xúc tác khuyên khắch các hoạt ựộng ựể duy trì mạng lưới của các tổ chức nhằm bảo tồn nguồn tài nguyên di truyền thực vật

Mạng lưới của Viện Tài nguyên di truyền thực vật quốc tế cĩ trên 600 viện trên 100 quốc gia ðối với mỗi nước trong chương trình, Viện Tài nguyên di truyền thực vật quốc tế đều hỗ trợ các hoạt động theo nhu cầu của chương trình tài nguyên di truyền quốc gia

4 Thu thập và bảo tồn nguồn gen

4.1 Thu thập nguồn gen

Với sự phát triển nơng nghiệp hàng hố và hiện đại hố trong nơng nghiệp nhiều giống cây trồng địa phương giảm dần về số lượng thậm chí bị thay thế hồn tồn bởi các giống mới, một nguy cơ gọi là sự sĩi mịn gen hay sĩi mịn di truyền Tăng tính đồng nhất của các giống cây trồng với nền di truyền ngày càng hẹp dẫn tới nguy cơ dịch hại do sâu, bệnh, tăng rủi do cho nơng dân và đe doạ tính bền vững Việc thu thập và bảo tồn nguồn tài nguyên di truyền là một nhiệm vụ quan trọng đối với cả mục tiêu trước mắt lẫn mục tiêu lâu dài của tất cả các nước trên thế giới

Ngày nay việc thu thập nguồn gen cây trồng được các nhà chuyên mơn tiến hành cĩ

hệ thống thơng qua nhĩm chuyên gia bao gồm các lĩnh vực chọn giống, di truyền, nơng học, bảo vệ thực vật và các chuyên gia địa phương ðiều quan trọng nhất cần chú ý khi thu thập là kỹ thuật lấy mẫu và sự phân bố quần thể Cĩ thể sử dụng cả hai phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên và lấy mẫu định hướng Tư liệu hố các dữ liệu cĩ ích một cách chính xác

cĩ ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với người thu thập, người đánh giá và người sử dụng

Nguồn đa dạng di truyền cần thu thập và bảo tồn gồm:

- Các giống địa phương, nhất là các giống chưa được sử dung trong chọn giống

- Các giống cải tiến đã và đang được gieo trồng

- Vật liệu chọn giống, tuy khơng cĩ giá trị canh tác nhưng cĩ giá trị chọn giống (các tính trạng mong muốn đặc thù như khả năng kháng sâu bệnh, chất lượng cao, v.v.)

- Các vật liệu di truyền đặc biệt (thể đột biến, đa bội thể, bất dục đực, cây chuyển gen )

- Các lồi hoang dại họ hàng, các lồi tổ tiên của cây trồng

- Vật liệu nhập nội

Việc tổ chức thu thập nguồn gen cĩ thể thực hiện thơng qua các hình thức sau:

a Tổ chức các đồn chuyên mơn đi điều tra, thám hiểm để thu thập ở các vùng khác nhau trong nước

b Các cán bộ nơng nghiệp và các cá nhân, cơ quan liên quan cĩ trách nhiệm thu thập vật liệu và gửi nguồn vật liệu thu thập được về cá cơ quan chuyên mơn

c Hợp tác với các tổ chức vùng và quốc tế để định kỳ trao đổi vật liệu

Thu thập và bảo tồn nguồn gen bao gồm nhiều hoạt động, đĩ là thu thập, mơ tả, đánh giá, tư liệu hố, bảo tồn, trao đổi và sử dụng Việc bảo tồn là một cơng việc địi hỏi hết sức cẩn thận và chu đáo để tránh lẫn, mất mát và được tư liệu hố (cơ sở dữ liệu) đáp ứng nhu cầu của cơng tác chọn tạo giống Các mẫu giống cĩ thể được duy trì trong điều kiện của hệ sinh thái tự nhiên hay hệ sinh thái nơng nghiệp truyền thống, trên đồng ruộng, trong nhà kính hoặc bằng hạt

Phương pháp thu thập

Thu thập cây lấy hạt

Mẫu thu thu thập: Chiến lược lấy mẫu phụ thuộc vào từng lồi cây, đặc biệt là phương thức sinh sản, mức độ chu chuyển gen giữa các quần thể, v.v Tuy nhiên điều đĩ thường khơng biết trước nên việc thu thập cần bao trùm cả vùng bằng cách lấy mẫu ngẫu nhiên với khoảng cách khơng gian nhất định (lấy mẫu kiểu phân ơ) Khoảng cách phụ thuộc vào sự đa dạng của điều kiện mơi trường Chẳng hạn, nếu vùng thu thập tương đối đồng nhất về khí

hậu, loại ñất, thảm thực vật, biện pháp canh tác, các giống cây trồng và vĩ ñộ, khoảng cách không gian có thể rất lớn (20-50 km hoặc hơn) Ngược lại, nếu các yếu tố môi trường thay ñổi mạnh (nhất là vĩ ñộ), thì mẫu thu thập phải nhiều hơn (chẳng hạn mỗi một km, hoặc 100m ñộ cao) Việc lấy mẫu phải theo nguyên tắc lấy mẫu quần thể chứ không phải lấy mẫu cá thể

ðiểm lấy mẫu: ðiểm lấy mẫu là vùng mà trong ñó mẫu của quần thể ñược thu thập Mỗi mẫu sẽ mang số hiệu thu thập riêng với những ghi chép nhất ñịnh, ví dụ:

- Tên giống (cả tên ñịa phương) và tên loài (tên La tinh)

- ðịa ñiểm thu thập, mùa vụ, ñiều kiện tự nhiên

- ðiều kiên sinh thái, chế ñộ canh tác ở nơi thu thập

- Những tính trạng chủ yếu: năng suất, khả năng chống chịu sâu, bệnh và ñiều kiên ngoại cảnh bất thuận

- Ghi tên chức vụ, chuyên môn của người thu thập

- Cần tuân theo chế ñộ kiểm dịch thực vật ñã ban hành ñể tránh lây lan dịch hại nhất là các loài dịch hại nguy hiểm

Việc chọn ñiểm thu thập phụ thuộc vào: i) sự ña dạng của môi trường, ii) kiểu phân bố và mật ddooj cá thể trong quần thể, iii) quan sát những biến dị hiếm trong quần thể ðộ biến ñộng giữa các ñiểm càng lớn thì ñiểm lấy mẫu càng gần nhau

Số cây và hạt thu thập mỗi cây trong từng mẫu: Thông thường phương pháp lấy mẫu ñược thực hiện theo kiểu ngẫu nhiên hay lấy mẫu không lựa chọn Sai số lấy mẫu nhỏ nhất khi mẫu lớn Phương thức chung là lấy mẫu ngẫu nhiên bằng cách thu thập cây theo một khoảng cách nhất ñịnh dọc theo mặt cắt ngang cho ñến khi không ít hơn 50 nhưng không nhiều hơn 100 cây Mỗi cây lấy 50 hạt sao cho mỗi mẫu chứa từ 2.500 ñến 5.000 hạt Bảng 3.2) Nếu loài cây chỉ có quả nhỏ và ít hạt có thể thu một số quả của ba cây sát bên cạnh ñể

ñủ 50 hạt Nếu loài cây có nhiều chùm quả, bông, v.v với số lượng hạt lớn, thì chỉ thu một phần của mỗi cây ñể có ñủ 50 hạt

Nếu quần thể thu thập có ñộ biến ñộng lớn người thu thập có thể i) lấy mẫu lớn hơn hoặc ii) lấy nhiều mẫu khác nhau

Trong quá trình lấy mẫu cần chú ý thu thập hạt từ những cây khỏe không bị hư hại, ñảm bảo hạt có sức sống tốt

Bảng 3.2: Số lượng hạt mẫu thu thập

Thu thập cây lấy củ khó khăn hơn so với cây lấy hạt Những khó khăn chủ yếu gồm:

- Tốn nhiều thời gian hơn ñể thu thập

- Phải thu hoạch vào ñúng giai ñoạn chín Thu hoạch non khó bảo quản, ñể già cây chết khó tìm

- Vật liệu cồng kềnh khó bảo quản và vận chuyển

- Mẫu thu thập khó giữ sống trong quá trình vận chuyển và bảo quản

Thu thập vật liệu hoang dại: các loài hoang dại tồn tại thành quần thể, nhưng mỗi kiểu gen

có thể tự nhân lên trên diện tích rộng lớn Cần quan sát kỹ lưỡng kiểu hình và mẫu không quá gần nhau theo phương thức sau:

i) Thu thập chỉ một củ từ mỗi một trong 10-15 cá thể làm mẫu hỗn hợp

ii) Diện tích ñiểm lấy mẫu có thể 100 x 100m hoặc nhỏ hơn

iii) Lấy mẫu ở nhiều ñiểm tốt hơn là lấy nhiều cây ở ít ñiểm

iv) Chọn ñiểm lấy mẫu trên phạm vi môi trường càng lớn càng tốt

v) Bổ sung băng mẫu hạt nếu ñược

vi) Làm tiêu bản nếu thời gian cho phép

Thu thập vật liệu trồng trọt: ðây là những dòng nhân vô tính (dòng vô tính), chứ không phải là quần thể, vì thế việc lấy mẫu mang tính chọn lọc Phương pháp lấy mẫu theo những tiêu chí sau:

i) Thu thập từng giống (kiểu hình thái phân biệt ñược bằng mắt thường) khác biệt tại mỗi chợ hoặc mỗi làng

ii) Lấy mẫu lặp lại ở khoảng cách 10-50 km trong vùng; khoảng cách phụ thuộc vào khoảng cách giữa các chợ hoặc các làng

iii) Thu thập toàn bộ các kiểu hình thái ở mỗi ñiểm thu thập Mẫu trùng lặp có thể chỉnh

lý và loại bỏ sau

iv) Bổ sung bằng mẫu hạt nếu có

Thu thập cây ăn quả và cây thân gỗ

Khác với cây lấy hạt, thu thập cây ăn quả và cây thân gỗ cũng khó và phức tạp hơn vì những lý do sau:

i) Hạt của một số cây ăn quả nhiệt ñới và cây thân gỗ như chôm chôm, cà phê, cao su, cacao là hạt khó bảo quản, không thể bảo quản trong ñiều kiện bình thường và hạt sống rất ngắn Vì vậy, nếu thu thập hạt cần ñược gieo ngay

ii) Vì lý do nêu trên, thường phải thu thập cành giâm (mắt)

iii) Phương thức thu thập phải gắn liền với việc bảo quản Cần gieo hạt trực tiếp; cành phải giâm bằng kỹ thuật phù hợp hoặc mắt phải ghép lên gốc ghép và mỗi kiểu gen phải ñược giữ lâu dài trên cây to

iv) Số lượng hạt hoặc cành giâm thu thập cần phải ñược cân nhắc kỹ lưỡng trước khi lên kế hoạch thu thập

v) Cây thường phân bố rải rác nên lấy mẫu chỉ thực hiện ñược khi phát hiện cây thực

sự mà không có ý niệm gì về mẫu của quần thể

Thu thập vật liệu hoang dại:

i) Thu hạt 10 hay 15 cá thể trên khoảng 10 hecta và hợp lại thành một mẫu

ii) Thu càng nhiều hạt cho một mẫu càng tốt Nếu hạt lớn, như dừa chẳng hạn, 10-15 hạt là ñủ

iii) Nếu không có hạt hoặc không có thiết bị ñể giữ hạt khỏi chết, thu cành hoặc bộ phận vô tính, mỗi cây một cành, từ 10 ñến 15 cá thể trên 10 hecta

iv) Tiến hành lặp lại ở khoảng không gian nhất ñịnh, tùy theo sự khác biệt về khí hậu,

ñộ cao và ñất ñai

v) Thu xếp ñể chuyển hạt hoặc cành về trạm ñể gieo hoặc trồng, nếu hạt thuộc loại khó bảo quản

Thụ thập vật liệu trồng trọt:

i) Cố gắng thu thập hạt hoặc quả bất kỳ ở đâu cĩ thể được; nếu khơng thu cành hoặc mắt, bộ phận vơ tính, v.v

ii) Nếu cây được trồng từ hạt thì coi cả làng là một điểm thu thập và thu thập kiểu ngẫu nhiên từ 10-15 cá thể

iii) Nếu cây được nhân bằng phương pháp vơ tính từ các giống được chọn lọc, thu thập từng giống khác biệt và giữ mỗi giống thành mẫu riêng

iv) Thu thập càng nhiều điểm càng tốt, thu thập rải rác ở những khoảng cách nhất định trong cả vùng

v) Hạt hoặc cành thu thập được phải được giữ mát và ẩm, tốt nhất là giữ nguyên hạt trong quả và chuyển về trạm ngay, nếu hạt thuộc loại khĩ bảo quản

4.2 Bảo tồn nguồn gen

a) Bảo tồn ngoại vi (ex-situ conservation)

ðây là hình thức bảo tồn chủ yếu hiện nay trên thế giới, một hình thức bảo tồn ngồi phạm vi cư trú tự nhiên của các lồi Tài nguyên di truyền được bảo tồn trong các trung tâm tài nguyên quốc gia, vùng và quốc tế khác với mơi trường sống tự nhiên ở dạng

bảo quản hạt, trồng ngồi ruộng hay bảo quản in vitro Ở Việt Nam ngân hàng gen quốc

gia hiện đang lưu giữ 12.500 mẫu giống của 115 lồi, trong đĩ:

- 10.700 mẫu bằng hạt

- 1.800 mẫu đồng ruộng

- 102 mẫu trong điều kiện in vitro

Bảo quản hạt

hạt giống trong vịng 5 năm

(7%), bảo quan trong dụng cụ bao gĩi và kho chuyên dụng ở độ ẩm 10%, nhiệt độ 1 đến

-5oC

quản trong kho lạnh sâu ở nhiệt độ -15 đến -20oC Hạt giống được bảo quản từ 20-30 năm

Bảo quản in vitro

Nguồn vật liệu di truyền được bảo quản trong mơi trường dinh dưỡng nhân tạo ðối tượng bảo quản ở dạng in vitro là những vật liệu sinh sản vơ tính, hoặc các lồi mà hạt khĩ bảo quản (recalcitrant seed), hạt phấn và ngân hàng ADN Trong điều kiện in vitro cũng cĩ thể bảo quản ngắn hạn, trung hạn và dài hạn Trong bảo quản ngắn hạn, vật liệu được cung cấp cho nhu cầu chọn tạo giống và nghiên cứu của cơ sở Trong bảo quản trung hạn, phải giảm tốc độ sinh trưởng của vật liệu một cách đáng kể bằng cách giữ ở nhiệt độ và ánh sáng thấp, hoặc giảm nồng độ ơ-xy Bảo quản mẫu trong điều kiện nhiệt độ rất thấp -180oC trong mơi trường ni tơ lỏng là phương pháp bảo quản dài hạn Với điều kiện này mọi quá trình sống bị đình chỉ hồn tồn

Bảo quản trên đồng ruộng

ðây là cách bảo quản tập đồn thực vật sống ngồi khu vực cư trú tự nhiên ðối tượng bảo quản đồng ruộng là cây lâu năm như cây ăn quả, cây cơng nghiệp, cây thuốc, cây sinh sản

vơ tính và hữu tính khác Bảo quản nguồn gen trên đồng ruộng cĩ ưu điểm là dễ tiếp cận

để nghiên cứu, đánh giá và sử dụng nhưng dễ bị mất mát do điều kiện khơng thuận lợi và địi hỏi diện tích đất đai lớn và nhân lực

b) Bảo tồn nội vi (hay bảo tồn tại chỗ, in-situ conservation)

Bảo tồn nội vị hay bảo tồn tại chỗ là bảo tồn nguồn gen trong môi trường sinh sống, tiến hoá tự nhiên, hoặc thuần hoá ñầu tiên của cây trồng ñó ðối tượng bảo quản nội vị có thể

là bất kỳ một loài thực vật nào, nhưng chủ yếu là các loài tổ tiên của cây trồng, các loài hoang dại có quan hệ họ hàng với cây trồng

Với một số giống ñịa phương ñược hình thành do quá trình chọn lọc và trồng trọt lâu ñời tại một ñịa phương cũng có thể bảo quản tại chỗ trên ñồng ruộng của nông dân hay bảo quản dựa vào cộng ñồng

5 Nhập nội

Nhập nội theo nghĩa rộng là ñưa vật liệu (có thể là giống, dạng, loài hoang dại họ hàng với cây trồng) vào môi trường mới mà trước ñây chưa ñược gieo trồng Theo nghĩa hẹp nhập nội là di chuyển vật liệu từ nước này sang nước khác Nếu vật liệu nhập nội thích hợp tốt với môi trường mớithì sau khi khảo nghiệm có thể ñược công nhận là giống ñưa vào sản xuất mà không cần thay ñổi gọi là nhập nội sơ cấp (sử dụng trực tiếp) Ngược lại, nếu vật liệu nhập nội không thích ứng mà phải qua chọn lọc hoặc sử dụng lai ñể chuyển hay kết hợp các gen có ích gọi là nhập nội thứ cấp (sử dụng gián tiếp) Bằng phương pháp nhập nội trong nhiều thập kỷ qua Việt Nam ñã ñưa vào sản xuất nhiều giống cây trồng mới như, chẳng hạn ở lúa: IR8, IR22, CR203, IR64, IR17494, IR50404, Khang Dân 18, nhiều giống lúa lai nguồn gôc Trung Quốc; Khaoi tây: Diamant, Nicola, Mariella; Sắn: KM60, KM94,v.v

i) Sử dụng những giống ưu việt ñang ñược gieo trồng trên thế giới

ii) Nhập cây trồng mới và tiến hành chương trình chọn giống cây trồng ñó

iii) Thu thập nguồn gen ñể sử dụng trong việc cải tiến cây trồng

5.1 Phương pháp nhập nội giống

a) Tìm kiếm và thu nhận: Căn cứ vào chiến lược, mục tiêu chọn tạo và nghiên cứu việc tìm kiếm và thu nhận vật liệu nhập nội có thể thực hiện bằng nhiều con ñường khác nhau: 1) thư yêu cầu chính thức gửi tới các trung tâm tài nguyên quốc tế, khu vực, hay quốc gia, 2) hợp tác song phương, ña phương và trao ñổi vật liệu với các tổ chức, 3) thông qua quan hệ

cá nhân với các nhà khoa học ở các tổ chức khác nhau Tuy nhiên dù nhập nội bằng cách nào cũng phải tuân thủ một quy trình xác ñịnh và các quy ñịnh về kiểm dịch thực vật b) Kiểm dịch thực vật: Kiểm dịch thực vật một biện pháp nhằm hạn chế sự lây lan sâu và bệnh hại du nhập vào vùng chưa nhiểm sâu, bệnh thông qua vật liệu từ nước ngoài hay vùng khác nhập vào Phương pháp kiểm dịch vật liệu nhập nội ñược tiến hành tùy theo ñối tượng sâu, bệnh hại, có thể cấm hoàn toàn hay hạn chế Mỗi nước có quy ñịnh riêng về kiểm dịch trong quá trình nhập và trao ñổi vật liệu cây trồng Yêu cầu chung khi nhập vật liệu là giấy chứng nhận, Giấy phép nhập khẩu và tiến hành kiểm dịch

c) Giấy phép nhập khẩu: Nhà chọn giống hay cơ sở nghiên cứu phải có giấy phép nhập khẩu chính thức ñể nhập vật liệu gửi cho cơ quan có thẩm quyền trước khi vật liệu ñược chuyển ñi ðơn xin nhập phải chứa ñủ thông tin cần thiết: tên cây trồng, loại vật liệu (hạt, quả, cây trong ống nghiệm ), tổ chức/nước sản xuất vật liệu, cách thức nhập hàng (ñóng gói và vận chuyển); nơi ñến và tên, ñịa chỉ người nhập

Việc kiểm dịch ñược tiến hành theo các bước sau:

Kiểm dịch tại nơi ựến: Kiểm dịch ựược tiến hành khi nhập vật liệu tại ựiểm ựến: cảng, sân bay, cửa khẩu biên giới theo luật và quy ựịnh kiểm dịch ựể ngăn ngừa sự du nhập và lây lan dịch hại mới

nhà chọn giống ựược trồng trong ựiều kiện cách ly trong một thời gian nhất ựịnh ựể ựảm bảo rằng vật liệu không có tác nhân gây bệnh và sâu hại du nhập từ ngoài vào Kiểm dịch sau khi nhập rất cần thiết ựối với bệnh truyền qua hạt, cây giống nhất là bệnh vi rút Trong nhiều trường hợp phải xử lý ựể phòng trừ sâu hại trong kho Vật liệu nhập nội không thoả mãn yêu cầu kiểm dịch hoặc nghi ngờ nhiễm tạp sẽ bị hủy hoặc trả lại người gửi

6 đánh giá, mô tả, lập cơ sở dữ liệu và sử dụng nguồn gen

6.1 đánh giá, mô tả và lập cơ sở dữ liệu

Nguồn gen ựược ựánh giá, khảo nghiệm và nhân lên ở những ựịa ựiểm nhất ựịnh, thường trong 2-3 vụ ựể xác ựịnh tiềm năng và khả năng thắch ứng của chúng Các ựịa ựiểm ựược chọn dựa vào nguồn gốc vật liệu ựể có thể tạo ra ựiều kiện gieo trồng tương tự nơi nguyên sản Thông thường, nguồn gen ựánh giá ựược trồng trong thắ nghiệm có bố trắ ựối chứng xen kẽ ở khoảng cách ựều ựặn ựể tiện so sánh Dữ liệu về nhiều mặt và các tắnh trạng ựược theo dõi theo danh sách mô tả ựối với tất cả các mẫu giống, ựặc biệt các chỉ tiêu về khả năng kháng sâu, bệnh, các ựiều kiện bất lợi và tắnh trạng sinh hoá Dữ liệu và một phần hạt ựược gửi ựến bộ phận bảo quản lâu dài và phần còn lại làm Ộtập ựoàn hoạt ựộngỢ

Song song với công tác thu thập, bảo tồn, ựánh giá một hệ thống tư liệu hoá về tài nguyên di truyền là công việc cần thiết ựể sử dụng nguồn gen có hiệu quả Thông qua cơ sở

dữ liệu các nhà chọn giống, nhà nghiên cứu dễ dàng tra cứu thông tin cần thiết và tìm kiếm vật liệu cho các chương trình chọn giống

6.2 Sử dụng nguồn gen

Mục tiêu và chiến lược sử dụng nguồn gen thực vật thay ựổi theo thời gian Trong những năm ựầu của chọn giống nhà chọn giống ựơn giản chỉ sử dụng nguồn gen sẵn có, chủ yếu là vật liệu ựịa phương cho công tác chọn tạo Cho ựến khi nguồn gen sẵn có không cho phép tiếp tục cải tiến tiềm năng di truyền nhà chọn giống mới bắt ựầu tìm kiếm nguồn biến dị mới đặc biệt khi dịch hại bùng nổ do trồng phổ biến một số ắt giống ựồng nhất, nhà chọn giống phải tìm kiếm nguồn kháng di truyền ựể hạn chế dịch hại Chắnh vào thời ựiểm ựó nhận thức về thu thập, bảo tồn và sử dụng mới ựược hình thành, nhằm cung cấp nguồn biến

dị kịp thời theo nhu cầu chọn tạo giống

Sử dụng trực tiếp làm giống

Nguồn gen thu thập ựược có thể sử dụng trực tiếp làm giống mới, nhất là những cây thức ăn gia súc hay cây họ ựậu, những cây trồng mà quá trình chọn giống chưa có gì ựáng kể đối với những cây trồng có quá trình chọn giống lâu ựời như ngô, ựậu tương, lúa nước, v.v việc sử dụng trực tiếp làm giống ắt xảy ra hoặc hầu như không thực hiện ựược

Chuyển các tắnh trạng ựơn gen (Introgression)

Khả năng sử dụng chủ yếu nhất nguồn gen ở phần lớn các loài cây trồng là chuyển các tắnh trạng ựơn gen mong muốn từ các loài hoang dại hoặc nguồn gen không thắch nghi vào các giống ưu tú, vắ dụ như các gen kháng sâu và bệnh hại Thông thường, tập ựoàn mẫu giống ựược sàng lọc về tắnh trạng mong muốn (vắ dụ, khả năng kháng bệnh) rồi lai với các giống

ưu tú Sau nhiều thế lai lại gen kháng bệnh ựược chuyển vào thành giống mới Phương pháp này có hiệu quả cao ựối với cây tự thụ phấn, hoặc ở cây trồng mà dễ tạo dòng thuần, như lúa mì, ựậu tương, ngô

Chuyển tính trạng số lượng

Phương pháp ñầu tiên ñề cập tới sử dụng tính trạng phức tạp là thông qua phương pháp chọn giống truyền thống (Ininda et al., 1996; Peel và Rasmusson, 2000), ñó là lai trực tiếp rồi sau ñó tạo dòng thuần Tuy nhiên, kết quả thường kém hơn so với việc sử dụng và chuyển các tính trạng ñơn gen Một số nhà nghiên cứu cho rằng ñể chuyển trực tiếp các tính trạng số lượng cần phải tiến hành nhiều chu kỳ chọn lọc

Chuyển gen nhờ chỉ thị

Mục tiêu là chuyển gen chính xác hơn bằng cách xác ñịnh gen mong muốn nhờ lập bản ñồ

di truyền (hoặc kỹ thuật khác) và chuyển sang nguồn gen ưu tú Chỉ thị di truyền là những

ví trí gen (locut) khác biệt nhau bao trùm toàn bộ genom Hiện nay có nhiều chỉ thị ñối với phần lớn các loại cây trồng Chọn lọc các chỉ thị này cho phép liên kết chúng với những ví trí gen tính trạng số lượng (QTL) của tính trạng mục tiêu Một khi ñã xác ñịnh ñược mối liên quan, các gen tính trạng số lượng ñược chọn lọc dựa vào chỉ thị Do ñó, các alen có lợi

ẩn giấu trong một kiểu hình không mong muốn của nguồn gen hoang dại có thể khai thác

có hiệu quả Tuy nhiên phương pháp chuyển gen nhờ chỉ thị thường tốn kém

Phương pháp kết hợp (Incorporation)

Một phương pháp khác ñể sử dụng nguồn gen là phương pháp kết hợp (Simmonds, 1993)

Ở phương pháp này mục tiêu không phải là sử dụng nguồn gen hoang dại không thích ứng trong chương trình chọn giống mà tạo ra những quần thể có nền di truyền rộng, ñược tăng cường ñể sử dụng trong tương lai Phương pháp kết hợp cho phép sử dụng nhiều mẫu giống hơn so với các chương trình chuyển gen ðiều này ñặc biệt quan trọng vì kiểu hình của vật liệu hoang dại không thể hiện hết tính hữu dụng của chúng, các alen tốt có thể bị ẩn giấu Ví dụ, gen tốt ñối với năng suất sẽ không ñược sử dụng nếu nguồn gen ñó lại chứa gen chín muộn, một tính trạng thường bị loại khi chọn lọc

Phương pháp kết hợp dựa trên ý tưởng là các quần thể có nên di truyền rộng là cách tốt nhất ñể sử dụng nhiều nguồn gen Kết hợp nhiều vật liệu với nhau cho phép tái tổ hợp tối ña và chọn lọc cường ñộ thấp ñể hỗn hợp các alen lại với nhau Các gen có ích ñược tổ hợp lại và tách ra khỏi các gen không có lợi Tiến hành chọn lọc theo khả năng thích nghi với ñiều kiện ñịa phương, trong khi giữ quần thể trong ñiều kiện cách ly với vật liệu chọn giống ưu tú Kết quả cuối cùng là tạo ra một tập hợp nguồn gen bổ sung cho vật liệu chọn giống ñể mở rộng nền di truyền mà không làm giảm ñáng kể về năng suất như khi sử dụng trực tiếp nguồn gen

Giá trị của nguồn gen ñịa phương

Nguồn gen ñịa phương hay các giống ñịa phương là những quần thể hỗn hợp các dòng khác nhau, tất cả ñều thích nghi tốt với ñiều kiện chúng ñược tạo thành và tiến hoá Tuy nhiên, các dòng có thể phản ứng khác nhau với sâu bệnh hại; mỗi dòng kháng với các nòi gây bệnh nhất ñịnh, làm cho quần thể giống ñịa phương bảo vệ hiệu quả ñối với dịch bệnh Sự ña dạng di truyền trong giống cũng như giữa các giống ñã tạo ra cơ chế kháng bệnh ñặc trưng ñối với các chủng nhất ñịnh và cho phép người trồng tận dụng các ñiều kiện tiểu khí hậu khác nhau

Thông thường các giống ñịa phương ñược lai với vật liệu ưu tú sau ñó lai lại một hoặc hai lần, cho giao phối các quần thể tạo thành một cách ngẫu nhiên nhiều thế hệ và áp dụng các phương pháp cải tiến quần thể tiêu chuẩn, hoặc chọn các kiểu gen có ích thông qua tự thụ phấn

2.8 Khái niệm về vựa gen

Khái niệm vựa gen do Harlan và de Wet (1971) ñề xuất nhằm ñưa ra một ñịnh hướng thực

tế về mối quan hệ giữa cây trồng và các loài họ hàng của chúng có ích ñối với nhà chọn giống khi muốn lai chúng với nhau Nguồn tài nguyên di truyền khác nhau ñược phân thành những vựa gen khác nhau của một loài cây trồng nhất ñịnh dựa vào khả năng lai, hay nói cách khác là sự di chuyển gen giữa chúng với nhau thông qua con ñường sinh sản hữu tính Harlan và de Wet (1971) phân thành 3 vựa gen chính: sơ cấp, thứ cấp và tam cấp Vựa gen không phải là cố ñịnh mà thay ñổi khi công nghệ mới ñược sử dụng ñể tác ñộng tới bộ gen

giống (hay quần thể) do nông dân dân tạo thành và duy trì, các kiểu sinh thái và các loài phụ ðặc ñiểm quan trọng nhất là sự di chuyển gen giữa các thành viên trong cùng vự gen tương ñối dễ dàng, chúng lai ñược với nhau, không có vấn ñề bất dục và gen phân ly bình thường Các chương trình mở rộng nền di truyền và chọn giống thường quan tâm chủ yếu tới vựa gen này

Vựa gen thứ cấp: Các ñơn vị phân loại trong nguồn gen thứ cấp có thể chuyển gen với nhau, nhưng rất khó khăn Vựa gen thứ cấp gồm các loài có quan hệ họ hàng trong cùng một chi, nhưng không phải tất cả các loài trong một chi nằm trong vựa gen thứ cấp Ngược lại, có thể các loài không cùng chi lại là thành viên của vựa gen thứ cấp Nhìn chung, chúng

có khả năng lai với nhau, nhưng con lai F1 có xu hướng bất dục Sự cặp ñôi của nhiễm sắc thể trong quá trình giảm nhiễm kém và con lai thường yếu ớt

kỹ thuật cao Vựa gen này gồm các loài có quan hệ xa nhau ở các chi khác nhau hay các loài có quan hệ xa trong cùng một chi Nhìn chung, lai giữa chúng rất khó khăn, ñòi hỏi phải cứu phôi, nuôi cấy noãn, ghép hoặc các biện pháp khác Bất dục của con lai rất phổ biến, mặc dù nhân ñôi nhiễm sắc thể có thể phục hồi tính hữu dục Các loài bắc cầu thường

là cần thiết ñể chuyển gen từ vựa gen tam cấp sang cây trồng (xem chương lai xa) Một ví

dụ cổ ñiển về sử dụng loài bắc cầu ñược thự hiện năm 1950 ở Nga Xi-xin ñã lai Elymus x

Triticum, nhưng thu ñược rất ít con lai và con lai lại bất dục Nếu sử dụng con lai

(Harlan và de Wet, 1971)

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Anonymous 1996 Tài nguyên di truyền thực vật ở Việt Nam Báo cáo tai Hội thảo quốc tế

về tăng cường chương trình tài nguyên di truyền thực vật ở Việt nam NXB Nông nghiệp

Harlan, J R Genetic resources in wild relatives of crops Crop Science 16: 329-333

Stephen B Brush 1989 Rethinking crop genetic resource conservation Conservation biology, 3 (No.1)., 19-29

Câu hỏi ôn tập

1 Nguồn gen thực vật là gì? Tại sao gọi là tài nguyên di truyền thực vật?

2 Tại sao nguồn gen lại cần thiết cho công tác chọn giống?

3 Thế nào gọi là trung tâm khởi nguyên (đa dạng) cây trồng? ðặc điểm quan trọng và giá trị của trung tâm khởi nguyên?

4 Nhiệm vụ của các trung tâm tài nguyên di truyền thực vật quốc gia, vùng và quốc tế là gì?

5 Cĩ mấy loại tập đồn? Sự khác nhau của các loại tập đồn?

6 Thế nào là bảo tồn nội vi? Bảo tồn ngoại vi? Sự khác nhau cơ bản, thuận lợi và khĩ khăn của các phương thức bảo tồn nĩi trên

7 Thế nào là nhập nội giống? Ý nghĩa của nhập nội giống/nguồn gen

8 ðặc điểm quan trọng của giống địa phương

9 Nêu các phương pháp sử dụng nguồn gen

10 Nêu sự khác nhau giữa vựa gen sơ cấp, thứ cấp và tam cấp Ý nghĩa và khả năng sử dụng của chúng trong cọn giống

CHƯƠNG III PHƯƠNG THỨC SINH SẢN, TÍNH TỰ BẤT HỢP VÀ BẤT DỤC ðỰC

Ở THỰC VẬT Mục tiêu của chương

1 Hiểu và phân biệt ñược các phương thức sinh sản hữu tính, vô tính và ảnh hưởng của chúng tới ñặc ñiểm và di truyền của cây

2 Nắm ñược ñặc ñiểm cơ bản của quá trình ra hoa, thụ phấn liên quan tới chọn giống và sản xuất hạt giống

3 Phân biệt tính bất hợp và bất dục, bất dục ñực và ứng dụng trong chon giống/sản xuất giống

1 Phương thức sinh sản ở thực vật

Thực vật có hai phương thức sinh sản chủ yếu: sinh sản hữu tính (bằng hạt) và sinh sản vô tính (bằng các bộ phận sinh dưỡng)

1.1 Sinh sản hữu tính

Sinh sản hữu tính là sinh sản bằng hạt, kết quả dung hợp của giao tử ñực (hạt phấn) và giao

tử cái (tế bào trứng) Hạt ñược phân loại theo nguồn gốc hạt phấn tham gia vào quá trình thụ phấn, thụ tinh Hạt tự thụ hình thành khi hạt phấn kết hợp với giao tử cái tạo ra trên cùng một cây Hạt giao phấn hình thành khi hạt phấn của cây này thụ tinh cho giao tử cái của cây kia

Các loài cây trồng ñược phân loại theo tần số tự thụ phấn và giao phấn trong quá trình hình thành hạt Có sự biến ñộng liên tục giữa các loài từ gần như hoàn toàn tự thụ phấn ñến hoàn toàn giao phấn Tuy nhiên, từ quan ñiểm chọn tạo giống, phần lớn các loài cây trồng sinh sản hữu tính ñược phân thành hai nhóm: tự thụ phấn (khi giao phấn tự nhiên dưới 10%) và giao phấn (tối thiểu 50% hạt giao phấn) Sự phân nhóm như vây không phải

là tuyệt ñối vì giao phấn có thể xảy ra ở cậy tự thụ phấn và tự thụ phấn có thể xảy ra ở cây giao phấn Mức ñộ tự thụ hay giao phấn tự nhiên thay ñổi phụ thuộc vào i) loài và giống, ii) ñiều kiện mùa vụ, iii) tốc ñộ và hướng gió và iv) sự có mặt và hoạt tính của côn trùng thụ phấn

Cơ chế thụ phấn là một yếu tố quan trọng trong việc xác ñịnh loại giống ñược trồng trong sản xuất và phương pháp chọn tạo giống Ảnh hưởng của phương thức thụ phấn ñến những ñặc ñiểm của cây ñược trình bày trong bảng 1.3

Tự thụ phấn

Ở cây tự thụ phấn hạt phấn thụ phấn cho nhụy ở chính hoa của mình (hoặc hoa trên cùng một cây) Mức ñộ tự thụ phấn thay ñổi theo loại cây trồng Cây tự thụ phấn ñiển hình như lúa nước, lúa mì, ñậu tương, cà chua, cà phê chè ðể ñảm bảo quá trình tự thụ phấn cây tự thụ có các cơ chế sau:

a) Thụ phấn ngậm (Cleistogamy)

Quá trình thụ phấn diễn ra trong hoa chưa nở, do ñó bảo ñảm tự thụ phấn hoàn toàn Mức giao phấn tự nhiên ở những loài như vậy nếu có cũng không ñáng kể (ví dụ: lạc, ñại mạch, yến mạch)

b) Thụ phấn mở (Chasmogamy)

Ở những loài cây có phương thức thụ phấn này hoa chỉ nở sau khi thụ phấn ñã hoàn thành

Vì hoa mở nên khả năng giao phấn có thể xảy ra, mặc dù mức ñộ rất thấp

a) Lệch giao hay biệt giao (dichogamy): hoa ñực và hoa cái thành thục (chín) ở các thời ñiểm khác nhau

- Nhị chín trước: hành, cà rốt, kê mần trầu

- Nhụy chín trước: ngô, chè, ca cao

b) Hoa phân tính: ở những loài cây này hoa ñực và hoa cái riêng

- ðơn tính cùng gốc: hoa ñực và hoa cái riêng biệt nhưng trên cùng một cây; ví dụ: bầu bí có hoa ñực cái riêng biệt, ngô chùm hoa ñực và cái riêng, thầu dầu có hoa ñực và hoa cái trong cùng chùm hoa nhưng hoa ñực phần trên hoa cái phần dưới

- ðơn tính khác gốc: hoa ñực và hoa cái sinh ra trên những cây khác nhau; ví dụ, chà là, ñu ñủ, cải bó xôi, măng tây

Bảng 1.3: Ảnh hưởng của tự thụ phấn và giao phấn ñối với một số ñặc ñiểm của cây

Cấu tạo hoa và ý nghĩa ñối với chọn giống

Thông thường hoa có 4 bộ phận: ñài hoa, cánh hoa (thường có màu sắc), nhị (gồm chỉ nhị

và bao phấn) và nhụy (bao gồm bầu, vòi nhụy và ñầu nhụy)

Ở lúa, hoa thường có vỏ trấu lưng và bụng bao quanh nhụy (2 ñầu nhụy, 1 bầu) và nhị (6 nhị)

Hoa hoàn chỉnh – có ñủ cả 4 bộ phận: bông vải, cà chua, khoai tây

Hoa không hoàn chỉnh - thiếu 1 trong 4 bộ phận: hoa hoà thảo

Hoa hoàn hảo - nhụy và nhị trên cùng 1 hoa: khoai tây, lúa, ñậu tương

Hoa không hoàn hảo - chỉ có nhụy hoặc nhị (nhụy và nhị ở những hoa khác nhau) – ngô, lúa dại

Các ựặc ựiểm ra hoa quan trọng ựối với công tác chọn giống

1) Thời gian nở hoa

2) Trình tự nở hoa

3) Nhịp ựiệu nở của từng hoa riêng rẽ

4) Thời gian tiếp nhận của ựầu nhụy

5) Thời gian sống của hạt phấn

6) Thời ựiểm thụ tinh thuận lợi nhất

7) Khả năng bao cách ly cả chùm hoa hay từng hoa riêng rẽ

+ Nguy cơ gây lẫn tạp phụ thuộc vào

- chiều cao cây

- vectơ

- hệ thống thụ phấn

- lượng hạt phấn

+ Hệ quả lẫn tạp phụ thuộc vào

- quan hệ họ hàng của cây

- bản chất khác nhau của giống

1.2 Sinh sản vô tắnh

Phần lớn cây trồng sinh sản bằng hạt, nhưng một số loại cây trồng sinh sản vô tắnh (tự nhiên hoặc nhân tạo) Sinh sản vô tắnh là sự sinh sản thông qua các bộ phận sinh dưỡng của cây, chẳng hạn mắt (hoa hồng), căn hành (tuy lip), củ (khoai tây), rễ củ (khoai lang), thân (mắa, sắn), hoặc hạt vô phối (xoài) ựể tạo ra những cá thể mới Cây sinh sản vô tắnh thường

có ựộ dị hợp tử cao và hậu thế sinh ra từ hạt thường phân ly mạnh Vì vậy, ở một số loài cây, ựặc biệt cây ăn quả và cây cảnh người ta sử dụng nhân giống vô tắnh vì muốn có quần thể ựồng nhất Có thể phân biệt hai nhóm chắnh sau ựây

thân bò, thân, hom cành, hom lá, căn hành, nuôi cấy mô tế bào từ các bộ phận khác nhau

của cây bằng kỹ thuật in vitro; duy trì những kiểu gen ựặc biệt tránh thế hệ con biến ựổi, chỉ

cần một cây ưu việt Một nhóm cây nhân vô tắnh từ một cây làm thành một dòng vô tắnh Cây của một dòng vô tắnh ựồng nhất về mặt di truyền và mang các ựặc ựiểm của cây mẹ

vào sự hình thành hạt nhưng không có sự hợp nhất của các giao tử ựực và cái (không thụ tinh) đó là sự thay thế quá trình hữu tắnh bằng quá trình vô tắnh Phôi hình thành do phân chia nguyên nhiễm của tế bào mẹ ựại bào tử hoặc tế bào xô ma của noãn Không có phân chia giảm nhiễm và thụ tinh, con cái giống hệt như cây mẹ Nếu sinh sản vô phối là phương thức sinh sản duy nhất của một loài gọi là vô phối bắt buộc Ngược lại, nếu cả sinh sản vô phối và sinh sản hữu tắnh xảy ra trong cùng noãn hay trên cùng một cây gọi là vô phối không bắt buộc Khoảng 40 họ thực vật và hàng trăm loài sinh sản theo con ựường vô phối,

vắ dụ: nhiều cây thức ăn gia súc, cây cao lương, cam quýt

Các ki ểu sinh sản vô phối

a) Bào tử lưỡng bội (diplospory): Phôi phát triển trực tiếp từ tế bào mẹ ựại bào tử

không giảm nhiễm (Cỏ Poa pratensis)

b) Vô bào tử (apospory): Túi phôi hình thành trực tiếp từ tế bào xô ma và không giảm nhiễm; phôi phát triển trực tiếp từ trứng lưỡng bội

c) Vô giao (apogamy) hay tự hợp (automixis): Phôi phát triển từ 2 nhân ñơn bội Thông thường ñây là kết quả hợp nhất của 2 tế bào trong túi phôi, hoặc là trợ bào hay tế bào ñối cực, hay là kết quả bồi hoàn lần phân chia thứ 2

d) Phôi bất ñịnh (adventitious embryony): Trong quá trình phát triển của hạt không hình thành túi phôi và tế bào trứng; phôi phát triển từ nhân hoặc mô bênh cạnh e) Trinh sinh ( parthenogenesis) Phôi phát triển trực tiếp từ trứng không thụ thụ tinh Nếu gảm nhiễm bình thường số nhiễm sắc thể của tế bào trứng và cây vô phối ở trạng thái ñơn bội Nếu giảm phân xảy ra không bình thường, số nhiễm sắc thể không giảm, phôi vô phối và cây ở trạng thái lưỡng bội Mặc dù không có sự thụ tinh nhưng thụ phấn là cần thiết ñể kích thích sự phát triển của hạt

Ưu ñiểm của sinh sản vô tính:

- Cố ñịnh ñược ưu thế lai, sử dụng toàn bộ phương sai di truyền

- Duy trì giống vô hạn, dễ dàng, không phải cách ly nghiêm ngặt

- Mô tả giống ñơn giản

Nh ược ñiểm

- Dễ suy thoái do bệnh, ñặc biệt bệnh vi rút

- Hạn chế tái tổ hợp (ví dụ cây tỏi)

2 Tính tự bất hợp

2.1 Khái niệm tự bất hợp

Tự bất hợp là cây không có khả năng hình thành hạt (hợp tử) khi tự thụ phấn mặc dù giao

tử ñực và giao tử cái có sức sống và chức năng bình thường Tự bất hợp là một cơ chế ngăn ngừa nội phối (giao phối cận huyết), nhất là ở cây giao phấn, do ống phấn không hoặc kém phát triển trong vòi nhụy Tính tự bất hợp ñược kiểm soát bởi một hệ thống ña alen (alen S) Tự bất hợp khác với bất dục ñực; sự khác nhau ñó ñược trình bày trong bảng 2.3

B ảng 2.3: Sự khác nhau giữa tự bất hợp và bất dục ñực

1 Do hàng rào cản trở sinh lý ñối với thụ

tinh Không thu ñược hạt do ống phấn

phát triển chậm hoặc kém phát triển

2 Phấn và noãn có chức năng bình thường

3 Các yếu tố di truyền và sinh lý kiểm soát

sự biểu hiện của tính tự bất hợp

Do rối loạn trong quá trình phát triển hạt phấn

Hạt phấn không có chức năng

Các yếu tố di truyền nhân, tế bào chất hoặc

cả hai kiểm soát sự biểu hiện tính bất dục

ðiểm biểu hiện tính tự bất hợp

- Bề mặt ñầu nhụy (hạt phấn không nảy mầm)

- Vòi nhụy (sinh trưởng của ống phấn bị cản trở)

- Bầu/noãn (không có dung hợp giao tử)

2.2 Các kiểu tự bất hợp

Có hai hệ thống tự bất hợp là bất hợp dị hình và bất hợp ñồng hình ðối với chọn tạo giống bất hợp ñồng hình ñược nhiều nhà chọn giống quan tâm Bất hợp ñồng hình do một dãy ña alen kiểm soát và tương ñối phổ biến Có hai loại tự bất hợp ñồng hình: tự bất hợp giao tử

và tự bất hợp bào tử (Bảng 3.3)

Tự bất hợp giao tử

Tự bất hợp giao tử do một gen S kiểm soát, tồn tại ở nhiều dạng alen khác nhau, ñó là dãy alen S1, S2, S3, v.v Nhiều loài thuộc họ cà, họ hoà thảo, họ ñậu, họ hoa hồng, v.v biểu hiện tính tự bất hợp giao tử Alen bất hợp hoạt ñộng ñộc lập và quyết ñịnh phản ứng tự bất hợp

(kiểu hình) của hạt phấn Số lượng alen rất lớn, ví dụ 212 ở Trifolium, 37 ở Oenothera, 17 ở

Nicotiana Phản ứng tự bất hợp phụ thuộc hoàn toàn vào kiểu gen của hạt phấn và ñầu nhụy Nếu alen của hạt phấn giống với alen trong ñầu nhụy sẽ xảy ra hiện tượng bất hợp

Có 3 kiểu thụ phấn sau (liên hệ hình 1.3):

Kiểu hình (kiểu giao phối) của hạt phấn do

kiểu gen hạt phấn (alen S) xác ñịnh

Do alen ở một hay hai locut kiểm soát

Alen của gen tự bất hợp hoạt ñộng riêng rẽ

trong vòi nhụy

Hạt phấn bất hợp bị ức chế trong vòi nhụy

Biểu hiện sau phân chia giảm nhiễm ở giao

Ống phấn của hạt phấn bất hợp có thể bị ức chế trên bề mặt vòi nhụy hoặc tính bất hợp biểu hiện giữa các giao tử sau khi thụ tinh Biểu hiện trước phân chia giảm nhiễm hạt phấn

Hình 1.3: Bất hợp giao tử

Tự bất hợp bào tử

Hệ thống tự bất hợp bào tử ñược kiểm soát di truyền bởi 1 locut có nhiều alen; các alen có thể biểu thị tính trội hay ñồng trội (ñộc lập) ở hạt phấn và vòi nhụy Kết quả là mối quan hệ bất hợp rất phức tạp Phản ứng bất hợp của hạt phấn (kiểu hình) do bố mẹ thể sinh ra hạt phấn xác ñịnh Cây họ thập tự thuộc hệ thống tự bất hợp bào tử

Các kiểu biểu hiện của các alen bất hợp (liên hệ hình 2.3):

- Trội song song S1 S2 S1 và S2 = S1 + S2

S2 S3 S2 và S3 = S2 + S3

iii) Tính trội ở nhụy và nhị có thể khác nhau

Các tổ hợp alen bất hợp có thể khi phản ứng bất hợp ở hạt phấn và vòi nhuỵ giống nhau

2.3 Hệ quả của tính tự bất hợp

a) ðối với trồng trọt

- Phải trồng tối thiểu 2 giống tương hợp với nhau ñể cây ñậu quả, ñậu hạt: cacao, cây trà, cây lạc tiên, táo tây, anh ñào

- Tự bất hợp kéo dài tuổi thọ của hoa ở cây cảnh: petunia

- Tự bất hợp là ưu ñiểm ở cây có củ: khoai lang, sắn

- Tự bất hợp tạo ñiều kiện hình thành quả không hạt: dứa

b) ðối với chọn giống

- Tự bất hợp giảm thiểu số tổ hợp lai

- Các tính trạng liên kết với gen S sẽ phân ly theo tỉ lệ không bình thường

- Tự bất hợp cản trở việc lai lại và tạo dòng thuần

- Sử dụng ể sản xuất hạt lai

2.4 Phương pháp khắc phục tính tự bất hợp

- Thụ phấn nụ hay thụ phấn sớm (bud pollination): Họ thập tự

- Thụ phấn muộn: Họ thập tự, Lilium

- Sốc nhiệt ñộ: Cà chua Lycopersicon

- Xử lý hooc môn: một số loài

- Chiếu tia bức xạ: Petunia, Lilium

- ðiều kiện sinh trưởng bất lợi: Prunus

- Cắt ngắn vòi nhụy: Khoai tây 2n

- Tăng nồng ñộ CO2 : Cây thập tự

3 Bất dục ñực

Bất dục ñực là cây không có khả năng tạo ra hoặc giải phóng hạt phấn có chức năng Bất dục ñực có thể là bất dục thực, bất dục ñực chức năng hoặc bất dục cảm ứng do hoá chất a) Bất dục ñực thực: Kiểu bất dục ñực này tạo thành do không có cơ quan giới tính ñực trong hoa cái, chuyển ñổi giới tính, hoặc do hạt phấn bất dục (bất dục ñực nhân, bất dục ñực tế bào chất, bất dục ñực tế bào chất - nhân) vì sự bất thường trong quá trình phát triển tiểu bào tử

b) Bất dục ñực chức năng: Bất dục ñực chức năng tạo thành do bao phấn không mở (do khuyết tật hoặc sai sót cấu tạo, cơ học) nên không giải phóng hạt phấn ra ngoài, mặc dù hạt phấn hữu dục bình thường

c) Bất dục do hoá chất: Bất dục ñực tạo ra khi xử lý hoá chất ở những giai ñoạn sinh trưởng nhất ñịnh của cây; hoá chất can thiệp vào quá trình phát triển của giao tử ñực

3.1 Bất dục di truyền/bất dục ñực nhân (GMS /NMS)

Bất dục ñực di truyền do một gen lặn (ms) trong nhân kiểm soát Ở một số cây trồng một hoặc nhiều gen tham gia kiểm soát sự bất dục ñực, ví dụ ở ngô, cà chua, cao lương Dòng bất dục ñực di truyền (msms) ñược duy trì bằng cách lai với dòng hữu dục dị hợp tử (Msms) 50% số cây thế hệ con bất dục ñực, 50% hữu dục Trong khu lai hoặc sản xuất hạt lai, cây hữu dục trong dòng mẹ ñược nhổ bỏ ngay khi nhận biết ñược Trong một số trường hợp, cây bất dục ñực có thể ñược xác ñịnh thông qua gen chỉ thị ở giai ñoạn cây non Nếu không có gen chỉ thị cây bất dục ñực chỉ xác ñịnh ñược thông qua quan sát hoa một cách

cẩn thận; ñôi khi không thể loại bỏ hết những cây hữu dục trước khi tung phấn ðây là một hạn chế của bất dục ñực di truyền, hạn chế giá trị sử dụng làm công cụ ñể sản xuất hạt lai

Hệ thống gen trong nhân

B ất dục ñực chức năng là dạng bất dục do gen trong nhân kiểm soát Cây tạo ra hạt phấn

bình thường nhưng không thể giải phóng ra ngoài do bao phấn không mở Bất dục ñực chức năng ñược nghiên cứu nhiều ở cà chua Tuy nhiên bất dục ñực chức năng rất mẫn cảm với ñiều kiện môi trường nên ít ñược sử dụng trong sản xuất hạt lai

3.2 Bất dục ñực tế bào chất

Bất dục ñực tế bào chất là kết quả bất thường của tế bào chất Tế bào chất bất dục thường

ký hiệu là S và tế bào chất bình thường là N hoặc F Toàn bộ con lai giữa cây bất dục tế bào chất với cây hữu dục ñều bất dục Bất dục ñực tế bào chất ñược phát hiện ở hành tây, ngô, cà rốt, và ớt Phần lớn nguồn bất dục ñực tế bào chất là kết quả lai giữa các cây có quan hệ họ hàng xa nhau, chẳng hạn con lai khác loài, khác chi Có thể chuyển tính bất dục ñực vào dòng tự phối bằng cách sử dụng dạng bất dục làm mẹ và lai lại nhiều lần với dòng

Bất dục ñực tế bào chất-nhân (thường gọi tắt là bất dục tế bào chất, CMS) là công cụ khử ñực di truyền, ñược sử dụng rộng rãi trong sản xuất hạt lai của nhiều cây trồng ðể sử dung bất dục ñực tế bào chất-nhân có hiệu quả, những yếu tố sau ñây cần phải lưu ý:

a) Tính bất dục ñực phải ổn ñịnh Bất kỳ sự mất ổn ñịnh nào ñều dẫn ñến quá trình tự thụ phấn

b) Sử dụng rộng rãi một nguồn bất dục có thể làm tăng tính cảm nhiễm với dịch bệnh (ví dụ, bất dục ñực kiểu Texas ở Mỹ năm 1970-71)

c) Ảnh hưởng của môi trường như ñộ dài ngày, cường ñộ ánh sáng, nhiệt ñộ, ẩm ñộ tương ñối, mật ñộ cây có thể ảnh hưởng tới phản ứng hữu dục của gen phục hồi d) Sản xuất hạt giống phải có hiệu quả kinh tế; năng suất và chất lượng sản phẩm của con lai phải vượt trội so với giống thường

- B ất dục ñực TBC phát hiện năm 1931

- 1948 phát hi ện gen có khả năng phục hồi hữu dục, ngô bất dục TBC kiểu T

(Texas), ñưa BDTBC vào sản xuất hạt lai ở Hoa Kỳ; dịch bệnh ñốm lá nhỏ

n ăm 1970-1971 do kiểu T mẫn cảm với bệnh

Các lo ại bất dục tế bào cất-nhân

i) B ất dục ñực ñồng tế bào chất: = trong nội bộ loài

Cao l ương: milo x kafir

Cây lanh: procumbent x tall

C ải dầu: Dạng Thuỵ ðiển/ Canada x 'Bronovski'

ii) B ất dục ñực dị tế bào chất = giữa các loài hoặc chi

(Capsicum peruvianum) x C annuum

(Brassica nigra) x B oleracea

(Oryza spontanea) x O sativa

(Triticum timopheevi) x T aestivum

3.4 Gây bất dục ñực bằng hoá chất

Một biện pháp thay thế ñể sản xuất hạt lai ở lúa nước và lúa mì sử dụng hoá chất diệt giao

tử ñực (chemical pollen suppressant, CPS hay chemical hybridization agent, CHA) Sử dụng hoá chất có thể tạo con lai bất kỳ tổ hợp nào có ưu thế lai cao Tính bất dục ñực tương ñối dễ sử dụng vì không cần phải duy trì Bất kỳ giống nào cũng có thể gây bất dục và sử dụng làm mẹ và không cần tìm kiếm dòng phục hồi

Một hoá chất khử ñực tốt cần thỏa mãn những yêu cầu sau:

- Gây bất dục hạt phấn có chọn lọc mà không làm ảnh hưởng ñến nhụy (ñộ hữu dục) và các bộ phận khác của cây, ñảm bảo số lượng và chất lượng hạt lai trên cây mẹ

- Tác dụng một cách hệ thống hoặc bền vững ñể gây bất dục ñực của các nhánh ở các giai ñoạn khác nhau (sớm và muộn)

- An toàn cho người, gia súc, không gây hại môi trường, không có hệ quả gây ñột biến

- Ổn ñịnh và tồn lưu trong cây một thời gian nhất ñịnh, không bị ảnh hưởng bởi ñiều kiện thời tiết

- Sử dụng dễ dàng, thuận tiện, hiệu quả kinh tế cao

Nhiều hóa chất diệt hạt phấn ñã ñược sử dụng, như ethaphon, ethrel, hợp chất RH531, RH532, v.v Trong sản xuất hạt lúa lai, Trung Quốc ñã sử dụng hai chất: MG1 (Mononatri methan arsenat) và MG2 ( Natri methyl arsenat) Những hóa chất này có hiệu lực khi phun vào thời ñiểm 5-9 ngày trước kho nở hoa ở nồng ñộ 0,02% Ưu ñiểm sử dụng hóa chất trong sản xuất hạt lai gồm (Virmani and Edwards, 19:

1) ðơn giản hóa quy trình chọn tạo giống vì không cần bất dục ñực và gen phục hồi 2) Tránh ñược các công ñoạn tốn kém và phức tạp ñể nhân dòng bất dục

3) Kiểu gen có bao phấn thò ra ngoài vẫn có thể sử dụng làm mẹ

4) Tránh ñược thời gian chuyển chuyển kiểu gen triển vọng thành dòng bất dục ñực 5) Dễ dàng trong việc ñánh giá dòng về khả năng kết hợp

Những hạn chế của hoá chất gây bất dục:

1) Liều lượng hóa chất ñủ ñể gây bất dục ñực thường gây bất dục nhụy và giảm tỉ lệ kết hạt

2) ðiều kiện hời tiết (mưa kéo dài, gió mạnh) cản trở việc phun hóa chất vào giai ñoạn tối ưu

3) Gây bất dục ñực không hoàn toàn, hóa chất chỉ có hiệu lực trong thời gian ngắn và

ở giai ñoạn phát triển nhất ñịnh nên phải phun nhiều lần

4) Chi phí cao

TÀI LIỆU THAM KHẢO Fehr, W R 1986 Principles of cultivar development, Chapter 2, Volume 1 Macmillan Publishing Co

Poehlman, J M., và D A Sleper 1995 Breeding field crops 4th Edition Iowa State University Press

Lê Duy Thành 2001 Cơ sở di truyền chọn giống thực vật NXB Khoa học và Kỹ thuật Hughes, M A 1996 Plant molecular genetics Chapter 12: Breeding systems, trang 155-

167

Câu hỏi ôn tập

1 Có bao nhiêu kiểu sinh sản ở thực vật? Phân biệt tự thụ phấn và giao phấn Những yếu tố (ñặc ñiểm) nào ñảm bảo tự thụ hay giao phấn Kể tên cây tự thụ phấn và cây giao phấn

2 Ảnh hưởng của tự thụ phấn và giao phấn tới cấu trúc di truyền thế hệ con cái như thế nào?

3 Tại sao thế hệ con cái hình thành từ hạt ở cây sinh sản vô tính thường không ñồng nhất?

4 Nếu muốn duy trì tính di truyền của cây, anh (chị) sẽ sử dụng phương pháp hữu tính hay

vô tính? Tại sao?

5 Thế nào là sinh sản vô phối? Khả năng và ý nghĩa ứng dụng vô phối trong chọn giống?

6 Các bộ phận chủ yếu của hoa và ý nghĩa của chúng trong quá trình hình thành hạt, trong quá trình lai

7 Sự khác nhau giữa hoa ñầy ñủ và hoa không ñầy ñủ, hoa hoàn hảo và không hoàn hảo, lưỡng tính và ñơn tính, ñơn tính cùng gốc và ñơn tính khác gốc

8 Thế nào là tự bất hợp? Bất hợp giao tử? Bất hợp bào tử?

9 Liệt kê những trở ngại và khả năng ứng dụng tự bất hợp trong chọn giống cây trồng

10 Có thể tạo ra dòng tự phối ở cây tự bất hợp (ví dụ cải bắp) ñược không? Làm thế nào?

11 Thế nào là bất dục ñực?

12 Các loại bất dục ñực

13 Sự khác nhau giữa bất dục ñực tế bào chất và bất dục ñực tế bào chất –nhân

14 Ứng dụng bất dục ñực trong chọn giống/sản xuất giống

15 Ưu ñiểm và nhược ñiểm của bất dục ñực bằng hóa chất

CHƯƠNG IV

DI TRUYỀN SỐ LƯỢNG TRONG CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG

Mục tiêu của chương

1 Nắm ñược ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và di truyền tới sự biểu hiện của tính trạng số lượng

2 Hiểu ñược giá trị kiểu hình, kiểu gen và các thành phần phương sai

3 Nắm ñược phương sai di truyền, hệ số di truyền, tương quan di truyền và ý nghĩa của chúng ñối với chọn lọc; cơ sở cải tiến ñồng thời nhiều tính trạng và chỉ số chọn lọc

4 Trình bày khái niệm và ý nghĩa của tương tác kiểu gen-môi trường

5 Nắm ñược phương pháp ñánh giá khả năng kết hợp

Lập kế hoạch và thực hiên một chương trình chọn giống ñể cải tiến các tính trạng số lượng phụ thuộc rất lớn vào mức ñộ biến ñộng di truyền của nguồn vật liệu chọn giống Phần lớn các tính trạng kinh tế quan trọng của cây trồng là những tính trạng số lượng, như năng suất, phẩm chất, thời gian sinh trưởng, v.v Khác với tính trạng chất lượng, tính trạng số lượng biểu thị sự biến thiên liên tục và từ giá trị thấp ñến giá trị cao có nhiều dạng trung gian Nguyên nhân gây ra sự biến thiên liên tục ở các tính trạng số lượng là sự kiểm soát của nhiều gen có hiệu ứng nhỏ nhưng mang tính tích luỹ Sự phân ly ñồng thời nhiều gen tạo

ra một phạm vi rộng các kiểu gen mang tính liên tục không thể phân chia thành những lớp riêng biệt Biến ñộng giữa các cá thể trong một quần thể ñối với một tính trạng số lượng ngoài kiểu gen còn liên quan tới ảnh hưởng của môi trường Trong phần lớn các trưòng hợp các tính trạng số lượng có tương quan với nhau, do ñó cải tiến tính trạng này có thể thay ñổi tính trạng khác ðối với sản xuất các giống có khả năng thích nghi rộng là cần thiết, nên nghiên cứu tương tác kiểu gen – môi trường hết sức cần thiết Các phương pháp chọn giống thường dựa vào hoạt ñộng của gen kiểm soát tính trạng Phương pháp tổ hợp hay phương pháp lai truyền thống sử dụng hiệu ứng cộng, trong khi ñó giống lai lại F 1 tận dụng hiệu ứng gen không cộng (trội, siêu trội)

1 Giá trị kiểu hình, kiểu gen và các thành phần phương sai

Giá trị kiểu hình (P) của một tính trạng số lượng là tổng tác ñộng cuả kiểu gen (G) và môi trường (E)

P = G + E Kiểu hình là sự biểu hiện bề ngoài của một cơ thể sống hay giá trị ño của một tính trạng, như ñộ bạc bụng hạt gạo, khối lượng 1000 hạt thóc là 28 gam, chiều cao cây ngô 185 cm Kiểu gen là kết quả tác ñộng của các gen kiểm soát toàn bộ quá trình sinh hóa trong một cá thể và qua ñó tiềm năng tính trạng của cá thể ấy Môi trường bao gồm toàn bộ các yếu tố bên ngoài có thể ảnh hưởng ñến sự biểu hiện của gen kiểm soát các quá trình sinh hóa và

sự biểu hiện của gen thành kiểu hình Các yếu tố bên ngoài gồm thời tiết, khí hậu, ẩm ñộ,

ñộ phì ñất, v.v

Cũng như tính trạng chất lượng, kiểu gen của tính trạng số lượng gồm tương tác trong nội bộ lô cut và giữa các lô cut Do ñó kiểu gen của tính trạng số lượng có thể biểu thị bằng:

G = A + D + I trong ñó A là hiệu ứng riêng rẽ của từng alen hay thành phần cộng tính của kiểu gen (Fisher, 1918); D là ñộ lêch trội hay thành phần do tương tác trong nội bộ lô cut và I là thành phần do tương tác giữa các lô cut Nếu có thể ñịnh lượng ñược sự biểu hiện của

kiểu gen , thì giá trị của thể dị hợp tử ở một lô cut riêng rẽ bằng giá trị trung bình của 2 thể ñồng họp tử nếu không có gen nào trội so với gen kia Do ñó, bất kỳ ñộ lệch nào so với giá trị trung bình ñều là dấu hiệu của sự có mặt của trội Có ba mức trội là: trội không hoàn toàn - giá trị của thể dị hợp tử nằm trong khoảng trung bình của hai thể ñồng hợp tử

và giá trị của thể ñồng hợp tử trội; trội hoàn toàn - giá trị của thể dị hợp tử bằng giá trị của thể ñồng hợp tử trội và siêu trội - giá trị của thể dị hợp tử vượt ra ngoài phạm vi của hai thể ñồng hợp tử

Nếu tính trạng ñược kiểm soát bởi nhiều lô cut, thành phần cộng của kiểu gen bằng tổng hiệu ứng riêng rẽ của các alen của tất cả lô cut và thành phần trội bằng tổng của tất cả tương tác trong nội bộ các lô cut Bất kỳ ñộ lệch nào còn lại so với giá trị trung bình của kiểu gen sau khi trừ ñi hiệu ứng cộng và trội là do ức chế

Mỗi yếu tố khác nhau kiểm soát kiểu hình của một cá thể với tính trạng số lượng ñều ñóng góp vào sự khác nhau giữa các cá thể trong quần thể Tổng biến ñộng hay phương sai kiểu hình σ2P trong quần thể là :

σ2P = σ2G + σ2E Tổng phương sai di truyền σ2G bao gồm phương sai do hiệu ứng cộng hay hiệu ứng trung bình của gen (σ 2

A ), phương sai do hiệu ứng trội (σ 2

D ) và phương sai do ức chế hay tương tác giữa các gen (σ2I ) (Kempthorne, 1954; Falconer và MacKay, 1996) Phương sai ức chế biểu thị thành phần biến ñộng tàn dư và có thể chia thành các thành phần hoàn toàn cộng (σ 2

AA , σ2AAA ), cộng x trội (σ 2

AD , σ 2 AAD , σ 2 ADD ) và hoàn toàn trội (σ 2

DD , σ 2 DDD ) Do ñó:

σ2G = σ2A + σ2D + σ2I

Việc ước lượng các thành phần phươg sai ñòi hỏi các sơ ñồ giao phối ñể tạo ra các quần thể có quan hệ họ hàng Những sơ ñồ chủ yếu gồm sơ ñồ phân tổ (NC I), sơ ñồ nhân tố (NC2) và lai dialen (Hallauer và Miranda, 1983; Wricke, 1986) Bằng sơ ñồ thí nghiệm thích hợp và phân tích phương sai, sẽ tính ñược các thành phần phương sai; chúng ñược ñổi thành các thành phần di truyền qua hiệp phương sai giữa họ hàng

Hệ số biến ñộng ñược sử dụng ñể ñánh giá mức biến ñộng giữa hai tính trạng tương phản

Hệ số biến ñộng kiểu hình (P CV ) và hệ số biến ñộng kiểu gen (G CV ) ñược tính như sau:

Biến ñộng do các yếu tố di truyền:

Qu ần thể khác nhau có cấu tạo di truyền khác nhau sẽ khác nhau về kích

th ước, khối lượng các bộ phận, hình dạng, màu sắc hay sự phát triển giữa

các cá th ể Biến ñộng di tryền có thể quan sát ñược ở những cây sinh trưởng

trong cùng m ột ñiều kiện môi trường Biến ñộng di truyền ñược tạo thành do

tái t ổ hợp gen, biến ñổi ñột biến, chọn lọc và dịch gen Biến ñộng di truyền

ñược truyền lại cho thế hệ con cái

Biến ñộng do môi trường:

ðiều kiện môi trường khác nhau có thể gây sự khác nhau về kích thước, khối

l ượng các bộ phận, hình dạng, màu sắc hay sự phát triển giữa các cá thể

Các y ếu tố môi trường gồm ñộ phì ñất, ñộ pH, ñiều kiện nước tưới, nhiệt ñộ,

ánh sáng và quang chu k ỳ, ẩm ñộ, sâu bệnh hại, vv Biến ñộng môi trường có

th ể quan sát ñược trên những cây có cùng cấu trúc di truyền trong những

môi tr ường khác nhau Biến ñộng do tác ñộng của môi trường không truyền

l ại cho thế hệ con cái

= P CV

;

Χ

= G CV

Trong ñó σ P và σ P là ñộ lệch chuẩn kiểu hình và kiểu gen và X là giá trị trung bình

2 Hệ số di truyền và hiệu quả chọn lọc

Hiệu quả chọn lọc ñối với một tính trạng số lượng phụ thuộc vào ý nghĩa tương ñối của các yếu tố di truyền và không di truyền trong sự khác nhau kiểu hình giữa các kiểu gen trong quần thể – gọi là hệ số di truyền Hệ số di truyền ñược ño bằng tỉ số của phương sai di truyền và phương sai kiểu hình hay tổng phương sai Có hai giá trị thường ñược sử dụng,

Mục ñích của chọn lọc là thay ñổi giá trị trung bình của quần thể ñối với tính trạng cần cải tiến thông qua sự thay ñổi tần số gen Vì vậy sự hiểu biết về hệ số di truyền, nhất là hệ số

Các cách tính hệ số di truyền

H ệ số di truyền dựa vào từng cây ñơn lẻ khi chọn lọc dựa vào các cây của quần thể mà

không phân thành các ô hay kh ối

2 2 2 2

2 2

g ge W

g

h

σσσσ

σ

+ + +

=

H ệ số di truyền từng cây ñơn lẻ khi chọn dự vào so sánh các cây trong một ô hay khối

2 2 2 2

g ge W

g

h

σσσ

σ

+ +

2 2

g ge n

W

g

h

σσσσ

σ

+ + +

2

g ge e

g

σσσ

σ

+ +

H ệ số di truyền dựa vào trung bình dòng

2 2 /

2 /

2 2

g l ge rl e

g

h

σσσ

σ

+ +

=

Ghi chú: σ2 g = ph ương sai di truyền, σ 2 w = ph ương sai giữa các cây trong một ô,

σ2 = ph ương sai giữa các ô, σ 2 e = σ2 w /n sai s ố thí nghiệm, σ2 ge = t ương tác kiểu gen x

môi tr ường, n = số cây trong 1 ô, r = số lần lặp lại, l = số môi trường thử nghiệm

di truyền nghĩa hẹp rất cần thiết đối với nhà chọn giống Trong 3 thành phầ phương sai di truyền, Wright (1971), coi phần cộng tính xác địng sự giống nhau giữa bố mẹ và con cái

Sự thay đổi giá trị kiểu gen của quần thể sau một thế hệ chọn lọc được gọi là tiến bộ di truyền hay kết quả chọn lọc Kết quả chọn lọc (∆ G ) của một tính trạng phụ thuộc vào hệ số

di truyền của tính trạng đĩ và cĩ thể ước lượng bằng cơng thức sau:

ðể dự đốn và so sánh kết quả chọn lọc các nhà chọn giống thường sử dụng giá trị S/σPthay cho S làm vi phân chọn lọc tiêu chuẩn hố Kết quả chọn lọc được biểu thị bằng:

Bảng 1.4 Giá trị i (cường độ chọn lọc) đối với một số giá trị p (tỉ lệ chọn)

_

p % 50 40 30 25 20 15 10 5 2 1

i 0,80 0,97 1,16 1,27 1,40 1,55 1,76 2,06 2,42 2,84

3 Tương quan di truyền và phản ứng liên đới

Các tính trạng số lượng thườg cĩ mối tương quan với nhau Ví dụ, năng suất hạt ở cây cốc thường cĩ tương quan nghịch với hàm lượng protein nhưng cĩ tương quan dương với thời gian sinh trưởng Trong chương trình chọn giống, mối tương quan giữa năng suất, các yếu

tố cấu thành năng suất và các tính trạng kinh tế khác cĩ ý nghiã quan trọng đối với chọn lọc, đặc biệt khi nhà chọn giống cần cải tiến đồng thời nhiều tính trạng Tương quan dương làm tăng mức chọn lọc của cả hai tính trạng, ngược lại tương quan âm làm giảm mức chọn lọc Vì vậy, điều quan trọng đối với nhà chọn giống là phải xác định được mối tương quan

cĩ cơ sở di truyền hoặc phản ánh những yếu tố mơi trường Tương quan di truyền cộng, rA, được ước lượng thơng qua tương quan của giá trị chọn giống giữa hai tính trạng của các cá thể trong quần thể Tương quan mơi trường, r E , là tương quan giữa các độ lệch mơi trường biểu thị phần dư của phương sai kiểu hình Cĩ thể ước lượng phương sai kiểu hình giữa hai tính trang X và Y theo cơng thức sau:

Y

X P P

P P

Cov

r

σσ

Y

X P P

E A

P

Cov Cov

r

σσ

+

=

Nếu ñặt e2 = 1 - h2 ta có

) ( ) ( )

( )

E Y

X Y A X A

A Y

X P

Cov e

e

Cov h

h

r

σ σ σ

=

E Y X A Y X

Thông thường chọn lọc ñể cải tiến tính trạng này kéo theo sự thay ñổi của một tính trạng khác Ví dụ khi tăng hàm lượng caroten ở khoai lang làm thay ñổi thuỷ phần hay hàm lượng chất khô trong củ Nếu gọi X là tính trạng ñược chọn trực tiếp thì phản ứng chọn lọc của X bằng giá trị chọn giống trung bình của các cá thể ñược chọn Sự thay ñổi của tính trạng gián tiếp Y sẽ bằng hồi quy của giá trị chọn giống của Y với giá trị chọn giống của

X Quan hệ hồi quy là:

) (

) ( 2

) ( ) (

X A

Y A X A

A XY

)

( X

A X

Y ih r

hoặc

X XY A C

X h r h

4 Chọn lọc ñồng thời nhiều tính trạng

Trong phần lớn các chương trình chọn giống thực vật hoặc ñộng vật, nhiều tính trạng cần phải cải tiến ñồng thời Tuy nhiên, cải tiến tính trạng này có thể kéo theo sự cải tiến hoặc

làm xấu ñi những tính trạng khác có liên quan Do ñó khi tiến hành chọn lọc cần phải xem xét tất cả tính trạng quan trọng ñối với một loài cây trồng

4.1 Chọn lọc theo thứ tự

a Cải tiến theo thứ tự qua nhiều thế hệ

b ðầu tiên cải tiến một tính trạng, sau ñó tính trạng thứ 2 và cứ tiếp tục như thế

c Lâu và có thể không hiệu quả nếu biến ñộng di truyền giảm trong quá trình chọn lọc tính trạng ñầu

d Có lẽ không tiến hành có ý thức–nhưng tiến hành khi bệnh mới phát sinh, tính trạng cần quan tâm thay ñổi, v.v

4.2 Chọn lọc ñộc lập

a Chọn lọc 2 hay nhiều tính trạng cùng một lúc

b Nếu 2 tính trạng phân phối bình thường, kết quả chọn lọc ñộc lập sẽ sẽ cắt một mẫu

hình tam giác ra khổi ñồ thị phân phối

4.3 Chọn lọc theo chỉ số

Chỉ số chọn lọc là một hàm tuyến tính của các thuộc tính khác nhau với một trọng số phù hợp, làm cơ sở cho việc chọn lọc ñồng thời nhiều tính trạng thông qua sự nhận biết và phân biệt các kiểu gen mong muốn với các kiểu gen không mong muốn dựa vào kiểu hình Smith (1936) ñịnh nghĩa giá trị kiểu gen (P) của một cá thể là:

P = a 1 G 1 + a 2 G 2 + + a n G n

trong ñó G 1 , G 2 ., G n là giá trị kiểu gen của các tính trạng riêng rẽ và a 1 , a 2 , , a n biểu thị ý nghĩa kinh tế tương ñối của từng tính trạng Một hàm khác (I) dựa vào kiểu hình của các tính trạng khác nhau ñược biểu thị ở dạng:

tế

Như vậy ñể thiết lập chỉ số chọn lọc phải thực hiện các bước sau ñây:

1 Ước lượng ma trận phương sai và hiệp phương sai kiểu gen và kiểu hình Phương sai

và hiệp phương sai ñược ước lượng thông qua các sơ ñồ giao phối trình bày trong phần trước

Như vậy ñể xây dựng chỉ số chọn lọc tối ưu không cần các giá trị kinh tế mà chỉ cần xác ñịnh tính trạng nào là tính trạng sơ cấp Tuy nhiên cũng có thể xem xét các tính trạng thứ cấp có ý nghĩa kinh tế trong khi cải tiến một tính tính trạng sơ cấp nhất ñịnh Ví

dụ, khi xây dựng chỉ số ñể cải tiến năng suất hạt, có thể rất có giá trị nếu bao gồm cả hàm lượng protein là tính trạng thứ cấp, thậm chí cả khi ñã có một chỉ số khác ñược xây dựng

ñể cải tiến hàm lượng protein

Có thể ñưa ra một ví dụ sau: có m tính trạng có ý nghĩa kinh tế cần cải tiến Trước hết xây dựng chỉ số cho mỗi một trong m tính trạng, ta có,

I 1 = b 1 P 1 + b 12 P 2 + + b 1n P n

I 2 = b 21 P 1 + b 22 P 2 + + b 2n P n

I m = bm1P1 + bm2P2 + + bmnPn