Công nghệ sinh học ( phần 7 ) Chọn giống ở cây tự thụ phấn Tự thụ phấn hay tự phối là việc chuyển phấn hoa từ nhị đực đến nhuỵ cái trong cùng một hoa, hay đến nhuỵ cái của hoa trong cùng một cây. Đó là quá trình kết hợp giao tử đực và giao tử cái của cùng một cây. Cây tự thụ phấn cũng có một số trường hợp giao phấn, phụ thuộc vào: - Giống hay dòng cây trồng - Điều kiện mùa vụ, nhất là nhiệt độ và độ ẩm - Hướng và tốc độ gió vào thời điểm thụ phấn - Quần thể côn trùng thụ phấn. Tự thụ phấn không những duy trì kiểu gene của bố mẹ từ đời này sang đời khác mà còn nhanh chóng phục hồi tình trạng đồng hợp cho kiểu gene trong các đời tiếp theo. Tỷ lệ dị hợp Aa trong các đời tiếp theo sẽ giảm đi một nữa. Mức độ đồng hợp của mỗi đời có thể tính theo công thức (2m – 1/2m) n , với m: số đời, n: số cặp gene đồng hợp. Các phương pháp chọn tạo giống 1. Nhập nội Nhập nội thường được dùng như nguồn cung cấp gen hay tổ hợp gen để cải lương một kiểu gen thích ứng tốt nhưng còn thiếu một hay nhiều tính trạng. 2. Thích nghi Tính thích nghi là khả năng tự phục hồi và thích ứng của quần thể với vùng khí hậu mới. Quá trình thích nghi là kết quả của sự chuyển dịch lệch di truyền về phía các dạng thích ứng trong một quần thể được đặt trong các điều kiện bất thuận của môi trường. Hiệu quả của quá trình thích nghi phụ thuộc vào: + Mức độ không đồng nhất trong quần thể; + Phương thức sinh sản của loài; + Thời lượng của chu kỳ sống của loài; + Tính chất và cường độ của các điều kiện bất thuận trong môi trường. Cây giao phấn thích nghi nhanh hơn cây tự thụ phấn do có tần số tái tổ hợp cao hơn, sẽ tạo ra các kiểu gene có lợi với tính thích nghi. Trong khi đó một dòng thuần biến đổi rất ít. 3. Chọn lọc Chọn lọc là một quá trình nhờ đó cá thể hay một nhóm cá thể được chọn ra từ một quần thể hỗn hợp và không đồng nhất. Chọn tạo giống cây trồng tự thụ phấn bằng chọn lọc hàng loạt hay chọn lọc hõn hợp (chọn lọc quần thể) và chọn lọc cá thể hay dòng thuần (chọn lọc phổ hệ) 3.1. Chọn lọc quần thể Ở phương pháp chọn lọc quần thể, người ta chọn bông hay cây tốt rồi trộn lẫn hạt giống của chúng để trồng lại đời sau. Chọn lọc quần thể dựa trên cơ sở chọn lọc kiểu hình, không thử nghiệm đời con, nên có những khuyết điểm sau: - Không thể biết được cây tập hợp lại là đồng hợp hay dị hợp. Cây dị hợp thì đời sau sẽ phân ly nên chọn lọc kiểu hình cần được tiếp tục lặp lại - Không thể biết được kiểu hình ưu tú được chọn do các tính trạng di truyền hay do môi trường. Hiện nay, thực hiện việc tuyển chọn đời con của các cá thể, sau đó dồn hạt giống của những đời con giống nhau đã phần nào làm tăng hiệu quả chọn lọc quần thể. Theo Allard (1960) thì sai biệt chủ yếu giữa chọn lọc quần thể đối với các cây tự thụ phấn liên quan đến số lượng dòng giữ lại. Đối với chọn lọc quần thể thì dạng được chọn chỉ xuất phát từ một bông và các dòng được chọn và giữ lại gộp thành một quần thể hỗn hợp các dòng thuần. Quần thể chọn ra trên thực tế đồng đều về các tính trạng nông học quan trọng như màu hạt, kích cỡ hạt, chiều cao cây, thời gian sinh trưởng và khả năng chống chịu bệnh. Chọn lọc quần thể chủ yếu được dùng để lọc các giống lẫn hoặc lọc các lô hạt giống lẫn của các chương trình sản xuất hạt giống. Việc lọc các giống lẫn bằng chọn lọc quần thể được tiến hành như sau: + Chọn lọc từ 200 đến 2.000 cây (cá thể) đúng dạng hình chính của giống. Số lượng cây chọn tùy thuộc vào nguồn giống có được + Gieo cây đời con trên ô gồm 3-4 hàng và quan sát độ đồng đều của các tính trạng kiểu hình khác nhau. + Trộn hạt các đời con có dạng giống và đồng đều lại để nhân giống. Chọn lọc quần thể được xem như là một phương pháp chọn tạo giống để cải lương các giống cây trồng tự thụ phấn. 3.2. Chọn lọc cá thể - Giống dòng thuần Chọn lọc cá thể với mục đích tạo ra giống dòng thuần được thực hiện trong hai trường hợp: - Tạo các dòng thuần từ một giống địa phương thích ứng tốt hay từ một quần thể nhân tạo hay giống quần thể được chọn lọc theo phương pháp chọn lọc quần thể đã và đang được dùng nhiều trong sản xuất. - Tạo các dòng thuần từ một quần thể đang phân ly của thể lai. Trong cả hai trường hợp trên, chi tiết chọn lọc đời sau của từng cá thể phụ thuộc vào các điều kiện sau: - Trường hợp các giống địa phương hình thành từ các quần thể bằng phương pháp chọn lọc quần thể, mang ít cây dị hợp, số lớn cây là đồng hợp tại nhiều locus. - Trường hợp của quần thể đang phân ly, từng cây riêng rẽ ban đầu dị hợp trở thành đồng hợp sau các đời liên tiếp. Nhiều chương trình chọn tạo giống cây trồng tự thụ phấn quan tâm đến việc chọn tạo các giống dòng thuần vì: (i) Giống dòng thuần có độ đồng đều cao về hình dạng và về chất lượng sản phẩm; (ii) Một dòng thuần đã thích ứng với các điều kiện sinh thái và canh tác riêng thì chắc chắn sẽ cho thành tích cao hơn quần thể hỗn hợp các kiểu gene; và (iii) Dễ nhận diện và duy trì một dòng thuần. 4. Tạp giao Tạp giao chỉ việc lai hai cá thể có tính di truyền khác nhau. Về mặt chọn tạo giống, tạp giao phối hợp tính trạng của hai giống và tạo thuận lợi cho việc chọn lọc ra các cây mang các đặc tính mong muốn của hai bố mẹ thông qua tái tổ hợp trong quá trình phân ly đời con cháu. Chương trình tạp giao của cây trồng tự thụ phấn chủ yếu gồm hai bố mẹ, nhằm mục đích loại bỏ một khiếm khuyết ra khỏi một giống được xem là thích ứng tốt và ưu việt về các mặt còn lại. Gồm có hai dạng: (1) Lai giống thích ứng với giống thích ứng cao sản (2) Lai dòng có nguồn gene thích ứng với dòng không thích ứng. Các cặp lai dạng (1) được thực hiện giữa các dòng hay giống chị em. Các giống này có cơ sở di truyền hẹp vì trong một địa bàn nhất định, khả năng cao sản chỉ tập trung vào một số ít dòng và các dòng này liên tục được dùng để tạo ra giống mới. Các cặp lai dạng (2) thường được thực hiện với các dạng trung gian có năng suất thấp hơn so với giống thích ứng cao sản nhưng lại cung cấp một tính trạng quan trọng như tính chống chịu với bệnh. Chuyển gene - Kỹ thuật di truyền Kỹ thuật di truyền thực vật là sự chuyển một đoạn DNA lạ, thường là một gene có chức năng mã hoá cho một thông tin hay đặc điểm có lợi nhất định vào tế bào thực vật như khả năng kháng sâu hại, kháng virus hay kháng thuốc trừ cỏ. Cây tái sinh từ tế bào chuyển nạp có gene lạ được lồng vào genome, biểu hiện ra kiểu hình va di truyền ổn định được gọi là cây chuyển gene. Trong các bước trên, kỹ thuật chuyển gene đóng một vai trò quyết định đối với kết quả chuyển gene. Chuyển gene vào tế bào thực vật có thể thực hiện gián tiếp thông qua vector hay trực tiếp. Sau đây là ví dụ về sự chuyển qua thông qua Ti-plasmid của vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens A. tumefaciens là vi khuẩn gây khối u ở cây hai lá mầm và phản ứng hình thành khối u là kết quả của sự kiện chuyển gene tự nhiên. Mấu chốt của sự hình thành khối u là Ti-plastmid (Ti: tumor inducing) của vi khuẩn chứa các gene mã hoá sinh tổng hợp các horrmon (auxin và cytokinin) chịu trách nhiệm cho sự hình thành khối u. Các gene này nằm trong vùng T-DNA (transfered DNA) của plasmid. Khi plasmid xâm nhập vào tế bào của cây, cùng T-DNA được chuyển vào genome. Đoạn T-DNA là yếu tố di truyền vận động trong quá trình chuyển gene. Ý nghĩa của Agrobacterium trong kỹ thuật di truyền là khả năng chuyển đoạn DNA vào tế bào thực vật. Lợi dụng phương thức chuyển gene tự nhiên các nhà khoa học thực vật dựa vào kỹ thuật phân tử điều khiển T- DNA để thiết kế hệ vector bằng cách lồng đoạn DNA cần chuyển gắn vào cùng T-DNA của vi khuẩn, sau đó cho cây nhiễm các vi khuẩn chứa plasmid đã biến đổi. Để lây nhiễm người ta nuôi cấy tế bào trần thực vật, tế bào đơn trong trong mooi trường lồng, hoặc đặt mô cấy trong dung dịch huyền phù chứa vi khuẩn có plasmid biến đổi trong một thời gian nhất định. Quá trình chuyển nạp thông qua Agrobacterium gồm các bước sau đây: - Phân lập gene có ích từ thể cho (DNA lạ) và nhân gene - Loại bỏ T-DNA khỏi Ti-plasmid của các dong vi khuẩn đã chọn lọc - Chuyền DNA lạ vào Ti-plasmid cùng với promotor và một gene chỉ thị có khả năng chọn lọc dễ dàng (ví dụ gene uidA của vi khuẩn mã hoá β- glucuronidaza thường gọi là gene GUS, hay gene kháng kháng sinh). - Đưa plasmid đã biến đổi vào tế bào thực vật - Chọn tế bào được chuyển gene - Tái sinh tế bào được chuyển gene - Chọn cây biểu hiện được chuyển (cấy chuyển gene) Ở một số loài cây dễ nuôi cấy như khoai tây và cà chua, các mẫu lá cắt rời được nhúng vào dung dịch chứa vi khuẩn trong một thời gian ngắn. Sau đó các mẫu lá được đưa vào môi trường dinh dưỡng. Trong khoảng thời gian đó vi khuẩn tiếp tục sinh trưởng và xâm nhập vào các tế bào lá rồi tạo ra một số tế bào chuyển gene. Vì chỉ một phần nhỏ tế bào được chuyển gene nên cần phải tiến hành chọn lọc. Việc chọn lọc thông thường dựa vào gene chọn lọc, đó là gene kháng kháng sinh hay kháng thuốc trừ cỏ. Sau đó các mẫu lá được chuyển vào môi trường khác chứa một chất kháng sinh để diệt Agrobacterium còn sót lại và một chất kháng sinh khác hay thuốc trừ cỏ để loại trừ các tế bào không chuyển gene. Các tế bào được chọn được chuyển sang một loạt các môi trường dinh dưỡng để tái sinh cây. Kết quả tái sinh và tạo cây chuyển gene phụ thuộc vào loài cây. Phương pháp chuyển gene thông qua Agrobacterium được áp dụng rất thành công ở nhiều loài cây hai lá mầm như thuốc lá, khoai tây và cà chua. . Công nghệ sinh học ( phần 7 ) Chọn giống ở cây tự thụ phấn Tự thụ phấn hay tự phối là việc chuyển phấn hoa từ nhị đực đến nhuỵ cái trong cùng một. hàng loạt hay chọn lọc hõn hợp (chọn lọc quần th ) và chọn lọc cá thể hay dòng thuần (chọn lọc phổ h ) 3.1. Chọn lọc quần thể Ở phương pháp chọn lọc quần thể, người ta chọn bông hay cây tốt rồi. có dạng giống và đồng đều lại để nhân giống. Chọn lọc quần thể được xem như là một phương pháp chọn tạo giống để cải lương các giống cây trồng tự thụ phấn. 3.2. Chọn lọc cá thể - Giống dòng