bài giảng nguồn gốc gen thực vật

Chương NGUỒN GEN THỰC VẬT 1.2 Đa dạng sinh học Đa dạng sinh học (Biodiversity), theo Công ước Đa dạng sinh học năm 1992, “Đa dạng sinh học phong phú thể sống có hệ sinh thái cạn, nước biển tổ hợp sinh thái mà chúng tạo nên Đa dạng sinh học bao gồm đa dạng loài (đa dạng di truyền hay gọi đa dạng gen), loài (đa dạng loài) hệ sinh thái (đa dạng sinh thái)” MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1 Khái niệm nguồn gen thực vật Nguồn gen thực vật tập hợp toàn gen có hệ thực vật, sử dụng làm vật liệu cho việc cải tiến, chọn tạo giống trồng Nguồn gen thực vật bao gồm: loài hoang dại, họ hàng hoang dại, giống địa, giống địa phương, giống cải tiến giống nhập nội 1.3 Đa dạng di truyền (Genetic diversity) • “Đa dạng di truyền phong phú biến dị cấu trúc di truyền cá thể bên loài loài; biến dị di truyền bên quần thể” (Công ước đa dạng sinh học,1992) • “Đa dạng di truyền nhiều gen loài, loài có cá thể tổ hợp gen đặc thù chúng, điều có nghĩa loài có quần thể khác nhau, quần thể có tổ hợp di truyền khác nhau” (Wanda W Collins cs., 1999; Mohd Said Saad V Ramanatha Rao, 2001) 1.4 Đa dạng loài Đa dạng loài phong phú loài tìm thấy hệ sinh thái vùng lãnh thổ xác định thông qua điều tra, kiểm kê Đa dạng loài thể số lượng loài khác sinh sống khu vực định (rừng mưa, rừng ngập mặn, rừng nhiệt đới) Hiện giới, đa dạng loài thể rõ vùng nhiệt đới, đặc biệt hai khu vực Đông Nam Á khu vực sông Amazôn Theo Walters Hamilton (1993), vùng nhiệt đới có 90.000 loài xác định, vùng ôn đới Bắc Mỹ Âu - Á xác định 50.000 loài 1.5 Đa dạng hệ sinh thái Hệ sinh thái (ecosystems) tập hợp quần xã sinh vật (bao gồm sinh vật sản xuất, sinh vật tiêu thụ sinh vật phân huỷ) với môi trường vật lí xung quanh nơi mà quần xã tồn tại, sinh vật tương tác với với môi trường để tạo nên chu trình vật chất biến đổi lượng 1.6 Xác định mức độ đa dạng Xác định đa dạng sinh học theo số Shannon - Weiner hay số thông tin theo công thức: S = n + ((n - 1)/n)k Trong đó: S = phong phú loài (species richness); n = tổng số loài có mặt quần thể mẫu; k = số loài tìm thấy mẫu Hoặc: H’ = -[ ∑(pi)(ln pi)] S = E + k(n-1)/n Trong đó: H’ số lượng đa dạng hệ sinh thái pi có mặt loài so với tổng số loài (có giá trị từ - 1) ln: log tự nhiên pi Trong đó: E = tổng số loài mẫu; k = số loài hiếm/duy nhất; n = số mẫu quan sát Ví dụ: Một lô mẫu nguồn gen có loài (sp1, sp2, sp3, sp4 sp5), với tổng số quan sát lô mẫu 160 cá thể Trong đó: loài (sp1) = 26 cá thể, loài (sp2) = 32 cá thể, loài (sp3) = 45 cá thể, loài (sp4) = 18 cá thể, loài (sp5) = 39 cá thể Tính số đa dạng theo Shannon-Weiner • Ý nghĩa: – Nghiên cứu nguồn gen thực vật để tìm quy luật phát sinh phát triển, hình thành, tiến hóa di thực vật liệu nhằm hiểu chất bên chúng để sử dụng hợp lý có hiệu – Từ vật liệu thu thập được, nhà chọn giống phải biết làm phong phú thêm nguồn vật liệu phương pháp tạo gen mới, tổ hợp mới, dạng giống – Thu thập nguồn gen ngày trở nên cấp thiết nguy xói mòn gen (xói mòn di truyền) chọn lọc tự nhiên hay chọn lọc nhân tạo nhằm bảo tồn loài quý có nguy tuyệt chủng Kết quả: Tính giá trị H’ số loài Loài (sp) Tổng (∑) sp1 sp2 sp3 sp4 sp5 Số cá thể (n) 26 32 45 18 39 160 Giá trị pi (n/N) 0,16 0,20 0,28 0,11 0,24 - lnpi -1,82 -1,61 -1,27 -2,18 -1,41 - (pi) x (lnpi) -0,30 -0,32 -0,36 -0,25 -0,34 -1,57(-H’) Kết cuối H’ = -[ ∑(pi)(lnpi)] = -[1,57] = 1,57 Khi tính giá trị nhiều lô mẫu, lô mẫu có giá trị H’ cao đa dạng CÁC HỌC THUYẾT VỀ NGUỒN GEN THỰC VẬT 2.1 Kiểu sinh thái • Mỗi loài sinh vật có khả chịu đựng khác trước điều kiện sinh thái (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng…) Những loài có khả chịu đựng rộng với biến động yếu tố sinh thái (giới hạn sinh thái rộng) có phân bố rộng rãi, sống phát triển nhiều vùng sinh thái khác • Theo N.I Vavilov phát tán cá thể loài đến sống nhiều vùng, địa phương khác nhau, trình sống, phát triển thích nghi lâu dài loài vùng sinh thái khác hình thành kiểu gen qui định đặc điểm hình thái đặc trưng cho vùng gọi kiểu sinh thái 2.2 Biến dị, di truyền chọn lọc tự nhiên Darwin người dùng khái niệm biến dị để đặc điểm sai khác cá thể loài phát sinh trình sinh sản; Tác động trực tiếp ngoại cảnh hay tập quán hoạt động động vật gây biến đổi đồng loạt theo hướng xác định, có ý nghĩa chọn giống tiến hoá; Biến dị, di truyền chọn lọc tự nhiên động lực tiến hóa muôn loài Đã hình thành nên đa dạng loài, đa dạng di truyền đa dạng sinh học ngày Hình 2.1 Loại hình sinh thái lúa (Nguồn Fischer cs., 2003) 2.3 Học thuyết dãy biến dị tương đồng thực vật (N.I.Vavilop): Các loại hình thực vật gần họ, chi, loài có hàng loạt biến dị di truyền giống – – – L1 (a + b + c + d + e + f + g + h + i + ) L2 (a + b + c + d + e + f + g + h + i + ) L3 (a + b + c + d + e + f + g + h + i + ) 2.4 Trung tâm phát sinh trồng Năm 1926, N I Vavilov dựa việc phân tích mô hình biến dị đề xuất học thuyết nguồn gốc phát sinh trồng (Origin of Cultivated Plants), ông cho giới có trung tâm phát sinh trồng chúng hoàn toàn độc lập với Trong đó: L1, L2, L3 loại hình thực vật có quan hệ họ hàng gần nhau; biến dị xuất a, b, c, d,… có loại hình có loại hình khác Trung tâm khởi nguyên trồng (Vavilop, 1920) Trung tâm (TT) khởi nguyên Các loài trồng quan trọng TT Trung Quốc n Lúa miến, đậu tương, tre trúc, hoa cúc, mơ, cải, đào, cam quýt, chè TT Ấn Độ Lúa nước, cà, dưa chuột, xoài, mía 2A TT Indo-Malaysia Chuối, mít, dừa, mía TT Trung Á Lúa mì, lanh, đậu, bông, hạnh nhân TT Cận Đông Lúa mì, đại mạch, mì đen, lanh TT Địa Trung Hải Lúa mì, đậu lupin, cỏ ba lá, lanh, ôliu, cần tây TT Abixini (Ethiopia) Lúa mì cứng, cao lương, cà phê, hành tây TT Nam Mêhicô Trung Mỹ Ngô, đậu Lima, khoai lang, bí ngô, bông, đu đủ Hình 2.2 Trung tâm phát sinh trồng theo N.I.Vavilov (Nguồn: Jack R Harlan 1992) TT Nam Mỹ Khoai tây, khoai lang, bông, sắn, đậu, cà chua 8A TT Chilê Khoai tây 8B TT Braxin-Paraguay Ca cao, sắn, lạc, dừa, cao su 3 Các trung tâm tài nguyên di truyền thực vật 3.1 Mạng lưới toàn cầu quốc tế - Viện NC lúa quốc tế (IRRI), Philippine TT Cải tiến ngô lúa mì quốc tế (CIMMYT), Mêhicô Viện Nông nghiệp nhiệt đới (IITA), Nigeria TT Nông nghiệp quốc tế (CIAT), Colombia TT NC huấn luyện NN nhiệt đới (CATIE), Costa Rica Ngân hàng khoai tây Đức – Hà Lan, Braunschweig, Đức Viện NC trồng quốc tế cho vùng nhiệt đới bán khô hạn (ICRISAT), Ấn Độ - TT khoai tây quốc tế (CIP), Peru - TT Nghiên cứu NN quốc tế vùng khô hạn (ICARDA), Syria - TT Nghiên cứu Phát triển rau châu Á (AVRDC), Đài Loan - XÓI MÒN NGUỒN GEN THỰC VẬT 4.1 Khái niệm Wilkes (1984) đưa ba mức đe dọa đến nguồn tài nguyên đa dạng nguồn tài nguyên di truyền thực vật sau: - Xói mòn di truyền (Genetic erosion): kỹ thuật cải tiến giống trồng phát triển loại trừ giống hay nguồn gen gốc tạo giống trồng cải tiến Một số lượng nhỏ giống cải tiến suất cao thay đa dạng di truyền hàng nghìn năm tạo nên - Sự tuyệt chủng (Genetic wipeout): Sự đe dọa thứ ba đến nguồn tài nguyên di truyền thực vật biến loài tiềm cấu tạo nên nguồn tài nguyên di truyền làm phá vỡ quần xã ổn định nguồn tài nguyên di truyền dẫn đến biến số đa dạng di truyền mong muốn 3.2 Mạng lưới Việt Nam - Viện Nghiên cứu Ngô – Đan Phượng – Hà Nội Viện Di truyền thực vật – Hà Nội Viện Nghiên cứu Rau Quả- Gia Lâm – Hà Nội Viện Cây lương thực – thực phẩm – Hải Dương Viện Nghiên cứu Bông – Nha Hố Viện Khoa học kỹ thuật Nông nghiệp Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội - Nguồn di truyền dễ tổn thương (Genetic vulnerability): rủi ro nông nghiệp đầu tư cao với lương thực thương mại nước phát triển Xói mòn di truyền giảm dần đa dạng di truyền thực vật Tổn thương di truyền mỏng manh tảng di truyền hẹp, canh tác đơn độc phạm vi rộng lớn (sự đồng hàng triệu cây) bao trùm hàng nghìn rủi ro lớn gặp bất thuận hay dịch hại VD: Bệnh rỉ sắt thân lúa mì năm 1954, bệnh đốm nhỏ ngô năm 1970 nạn đói mùa khoai tây Ai Len năm 1840 ví dụ cho tính dễ tổn thương di truyền 4.2 Nguyên nhân xói mòn nguồn gen thực vật - Giống địa phương thay giống cải tiến, tỉ lệ tốc độ thay phụ thuộc vào loài trồng, vùng môi trường Cây lương thực lúa lúa mỳ bị thay nhanh nhất, nguyên nhân xói mòn di truyền lớn (Day Rubenstein cs., 2005) Ước tính 15% diện tích lúa địa phương trồng điều kiện có tưới, lúa mỳ địa phương 23% - Những nguyên nhân khác thay đổi hệ thống sản xuất nông nghiệp chăn thả mức, thu hoạch cường độ cao, phá rừng phát nương làm rẫy, xuất sâu bệnh mới, sách hiệp ước quốc tế (FAO, 1996) • Hai nguyên nhân dẫn đến nguyên nhân xói mòn nguồn gen – (i) tăng dân số, đặc biệt nước phát triển gây áp lực lên nguồn tài nguyên; – (ii) tăng truyền thông, du lịch thương mại toàn cầu Những nguyên nhân dẫn đến đa dạng văn hóa giảm đa dạng sinh học (Sutherland, 2003; Maffi, 2001, 2005) 10 Chặt phá rừng Áp lực dân số Chăn thả mức 4.3 Hậu xói mòn nguồn gen Giống thay giống địa phương 20 Dịch hại 30 Du canh 40 Luật pháp sách 50 Xung đột quyền lợi Số nước 60 Chuyển đổi mục đích sử dụng đất 70 Ảnh hưởng môi trường 80 Khai thác mức 90 • Xói mòn văn hóa, tập quán kiến thức địa; • Sản xuất nông nghiệp ổn định, giống cải tiến, giống lai đồng di truyền; • Những vùng có điều kiện khó khăn giảm đa dạng giống địa phương nguyên nhân giống địa phương có dần bị xói mòn; • Xói mòn nguồn tài nguyên đất; • Xói mòn nguồn tài nguyên nước; • Thảm họa thiên tai; • Phát sinh dịch bệnh Nguyên nhân Hình 2.3 Những nguyên nhân gây xói mòn di truyền (Nguồn Stanislav Magnitskiy, 2000) Thu thập nguồn gen 5.1 Nhiệm vụ thu thập nguồn gen thực vật • Theo Frankel Hawkes (1975), lựa chọn ưu tiên thu thập nguồn gen bị đe dọa tuyệt chủng, nguồn gen quý, đặc hữu vùng, quốc gia Thu thập thông tin tình trạng nguồn gen vật liệu trồng trọt thực tế đồng ruộng, mức độ xói mòn di truyền mức độ bị đe dọa tuyệt chủng chúng vùng địa phương, sở xác định ưu tiên thu thập bảo tồn • Frankel Soulé (1981); Hawkes (1983) xem xét biến dị có quần thể loại khác nguồn tài nguyên di truyền phân loại thu thập nguồn gen sau: - Các giống nguyên thủy loài địa, giống địa phương - Loài hoang dại thân thuộc mà loài trồng tiến hóa từ loài - Loài hoang dại người sử dụng - Loài hoang dại có tiềm sử dụng - Các giống cũ giống tiến 5.2 Phương pháp thu thập • Nguyên tắc thu thập: – Thu thập thường xuyên – Có cán chuyên môn phụ trách – Thu thập từ gần đến xa – Tập trung thu thập trung tâm phát sinh trồng – Thu thập rộng tốt Phương pháp thu thập phân thành hai hình thức truyền thống đại Hai hình thức có điểm chung, thu thập đại hoạt động nằm thu thập truyền thống Thu thập đại thu thập nguồn gen cần sử dụng chưa sử dụng sử dụng tương lai Thu thập truyền thống thu thập nguồn gen phục vụ cho nhu cầu a) Các bước thực thu thập nguồn gen thực vật - Thành lập nhóm cán thu thập nguồn gen Nhóm chuyên gia thu thập thành lập nhóm liên ngành, có chuyên môn sâu số lĩnh vực khác thực vật học, di truyền, chọn giống, nông học, sinh thái học, xã hội học, người hiểu biết dân tộc học, kiến thức địa Nhóm cần kỹ thuật viên thành thạo sử dụng trang thiết bị phân tích, đo lường thiết bị bảo quản mẫu nguồn gen sau thu thập - Chuẩn bị điều kiện thu thập • Công tác chuẩn bị thu thập bao gồm chuẩn bị chương trình, đề án với mục tiêu rõ ràng, chuẩn bị sở vật chất tài Xây dựng phiếu thu thập thông tin (Passport data), mẫu phiếu vào mẫu phiếu IPGRI Trung tâm Tài nguyên Thực vật Việt Nam Như vậy, thông tin thu thập chia sẻ tham gia vào sở liệu quốc gia quốc tế • Xây dựng kế hoạch chi tiết đợt thu thập bao gồm kế hoạch thời gian, kế hoạch nhân lực kế hoạch hoạt động trình thu thập Kế hoạch cần thiết thống với địa phương người dân để phối hợp hoạt động - Thực thu thập • Bước gồm hai giai đoạn thu thập thông tin thứ cấp thu thập trường Thu thập thông tin thứ cấp có ý nghĩa quan trọng để nắm thông tin ban đầu, nguồn gen quan khác thu thập tránh trùng lặp gây tốn kém, lãng phí Thông tin thứ cấp thu thập quan nghiên cứu, quan quản lý trung ương, địa phương (tỉnh, huyện xã) • Thu thập trường thực theo phương pháp chuẩn đặc thù cho loại nguồn gen, đảm bảo thu đầy đủ, xác nguồn gen cần thu thập cho mục tiêu chương trình thu thập Phương pháp thu thập với loại nguồn gen cần thảo luận thống nguồn gen hoang dại họ hàng hoang dại, nguồn gen lấy hạt, nguồn gen có củ, nguồn gen thu thập phận sinh dưỡng b) Hình thức tổ chức thu thập nguồn gen - Kết thúc thu thập • Sau thu thập tiến hành điều chỉnh hoàn chỉnh thông tin để vào sở dự liệu ban đầu, đánh số đeo thẻ Mẫu nguồn gen thu thập xử lý tránh hư hỏng nhiễm bệnh làm khô, xử lý thuốc bảo vệ thực vật, đóng gói tiêu chuẩn phù hợp với loại nguồn gen - Xây dựng sở liệu bảo tồn • Cơ sở liệu quan trọng bảo tồn chia sẻ thông tin bảo tồn, sử dụng nguồn gen nước quốc tế Ngày có sở liệu chung cho quốc gia quốc tế, sau thu thập vào thông tin trực tiếp bảo tồn lưu giữ chia sẻ thông tin - Hợp tác trao đổi nguồn gen quốc gia hay trung tâm quỹ gen Ưu điểm: Đỡ tốn hơn, thu nguồn gen phong phú Nhược điểm: gây xói mòn nguồn gen địa phương phức tạp công tác kiểm dịch - Tổ chức đoàn cán chuyên môn thu thập Ưu điểm: xác, đầy đủ, không bỏ sót nguồn gen Nhược điểm: tốn (tiền của, thời gian, công sức) - Hợp đồng quan nhà nước, địa phương để thu thập Ưu điểm: thuận lợi, tốn hơn, triệt để làm thường xuyên Nhược điểm: nhà chuyên môn sâu nên bỏ sót nguồn gen - Tham gia mạng lưới thu thập đánh giá nguồn gen quốc tế Ưu điểm: thuận lợi • Lưu ý thu thập: - Ghi rõ tên giống, tên loài, tên địa phương, tên la tinh - Ghi rõ đặc tính nông sinh học, suất, điều kiện sinh thái nơi thu thập - Ghi rõ chức vụ, chuyên môn người thu thập, nơi thu thập - Tuân theo quy định kiểm dịch c) Phương pháp lấy mẫu • Chiến lược lấy mẫu phụ thuộc vào loài trồng tự thụ phấn, giao phấn hay sinh sản vô tính khả trao đổi gen quần thể, mục đích thu thập đa dạng di truyền khu vực Các nguyên lý chọn điểm số lượng mẫu liên quan đến đa dạng di truyền Marshall Brown (1975), Hawkes (1980), Chang (1985) nêu thảo luận, sử dụng phương pháp tùy thuộc lớn vào phương pháp tiếp cận • Để lấy mẫu thu thập tự nhiên chung ngẫu nhiên theo khoảng thời gian xác định trước thỏa mãn cho xác lấy mẫu Khoảng thời gian rộng điều kiện sinh thái thổ nhưỡng, môi trường đồng Hoặc điểm nhỏ, cân đối vùng có thay đổi nhanh theo độ cao địa hình, loại đất, kỹ thuật canh tác hay môi trường sinh thái đa dạng quan sát nhận biết thay đổi rõ ràng Theo Chang (1985) nên thu thập chúng nơi thích hợp, nơi giao thoa thổ nhưỡng-sinh thái môi trường sống tự nhiên Cách lấy mẫu • Phương pháp lấy mẫu hỗn hợp điểm thu hoạch ngẫu nhiên bông, số lượng vài điểm • Đường lấy mẫu ruộng: cán thu thập ngang qua điểm ruộng lần theo hình chéo zigzag tránh lấy mẫu quanh đường biên • Phương pháp lấy mẫu theo kẻ ô có đại diện tối đa quần thể điểm lớn có điều kiện thổ nhưỡng - sinh thái khác biệt Bảng 2.1 Loại quần thể, điểm số mẫu thu thập (Chang, 1985) Tần suất lấy mẫu (số mẫu điểm) cỡ mẫu khống chế mức đa dạng di truyền dòng gen nhóm (vật liệu trồng hình thức hoang dại) sinh thái nông nghiệp điểm thu thập Cán thu thập nên sử dụng phương pháp tiếp cận thực tế, quan sát chỗ để đưa kỹ thuật lấy mẫu phù hợp Kiểu quần thể Điểm/ngà y Số (bông)/điểm + Ít cải tiến 20 - 40 15 - 30 + Không cải tiến 10 - 20 30 - 50 + Hoang dại 10 - 15 40 - 60 + Giao phấn 10 - 15 30 - 60 d) Phương pháp thu thập đặc thù với loại nguồn gen Nơi thu thập theo Hawkes (1980) có bốn địa điểm thu thập nguồn gen khu vực thu thập nguồn gen là: ruộng nông dân; bếp vườn hộ; chợ; khu vực đền, chùa, nhà thờ…; khu vực hoang dại tự nhiên - Thu thập nguồn gen lấy hạt • Lấy mẫu thực theo kiểu ngẫu nhiên hay lấy mẫu không lựa chọn • Thu thập theo khoảng cách định dọc theo mặt cắt ngang không 50 không nhiều 100 • Mỗi lấy 50 hạt, cho mẫu chứa từ 2.500 (đối với quần thể tương đối đồng nhất) đến 5.000 hạt (đối với quần thể có biến động lớn) Nếu loài có nhỏ hạt thu số ba sát bên cạnh để đủ 50 hạt Nếu loài có nhiều chùm quả, bông, với số lượng hạt lớn, thu phần để có đủ 50 hạt - Thu thập nguồn gen có củ • Thu thập nguồn gen lấy củ khó khăn so với việc thu thập nguồn gen lấy hạt Những khó khăn chủ yếu gồm: – Tốn nhiều thời gian để thu thập, – Vật liệu thu thập cồng kềnh khó bảo quản vận chuyển, – Việc thu thập phải tiến hành vào giai đoạn chín, thu mẫu sớm củ non khó cho việc bảo quản nhân giống, để già chết khó cho việc tìm kiếm – Mẫu thu thập khó giữ sống trình vận chuyển bảo quản lâu dài + Đối với thu thập vật liệu trồng trọt: Vật liệu trồng trọt vật liệu sử dụng nhân vô tính (dòng vô tính), quần thể, việc lấy mẫu mang tính chọn lọc Phương pháp lấy mẫu theo tiêu chí sau: • Thu thập giống (kiểu hình thái phân biệt mắt thường) khác biệt chợ làng/ • Lấy mẫu lặp lại khoảng cách 10 - 50km vùng; khoảng cách phụ thuộc vào khoảng cách chợ làng/bản • Thu thập toàn kiểu hình thái điểm thu thập Mẫu trùng lặp chỉnh lý loại bỏ sau • Bổ sung mẫu hạt có • Hạt số loại cây ăn nhiệt đới thân gỗ chôm chôm, cà phê, cao su, ca cao khó bảo quản bảo quản điều kiện bình thường, thời gian sống hạt ngắn Vì vậy, thu thập hạt cần gieo ngay, thông thường loài thu thập phận sinh dưỡng chồi, đoạn cành để giâm ghép Nếu thu thập hạt phải có điều kiện bảo quản tốt, thu thập phận sinh dưỡng phải giâm kỹ thuật phù hợp mắt phải ghép lên gốc ghép kiểu gen phải giữ lâu dài lớn • Cây ăn thân gỗ thường phân bố rải rác nên lấy mẫu thực cụ thể không lấy mẫu theo quần thể hàng năm thấp thân bụi Khi tiến hành thu thập nguồn gen có củ, tuỳ thuộc vào vật liệu thu thập vật liệu hoang dại hay vật liệu trồng trọt mà ta có tiêu chí thu thập khác Cụ thể là: + Đối với thu thập vật liệu hoang dại: • Thu thập củ từ 10 - 15 cá thể làm mẫu hỗn hợp • Diện tích điểm lấy mẫu 100 x 100m nhỏ • Lấy mẫu nhiều điểm tốt lấy nhiều điểm • Chọn điểm lấy mẫu phạm vi môi trường rộng tốt • Bổ sung mẫu hạt - Thu thập ăn thân gỗ: • So với lấy hạt, việc thu thập ăn thân gỗ khó khăn phức tạp Vì tiến hành thu thập cần lưu ý số vấn đề sau: • Các phận thu thập ăn thân gỗ (hạt, quả, chồi, cành…) thường có kích thước tương đối lớn, cần tính toán kỹ lưỡng số lượng mẫu cần thu thập trước lên kế hoạch tiến hành thu thập Nếu lượng mẫu không đảm bảo, lượng mẫu nhiều tốn kém, nhiều thời gian thu mẫu, khó khăn cho việc bảo quản… - Thu thập in vitro: • Phương pháp thu thập in vitro phương pháp thu thập đặc biệt hiệu loài thu thập phận sinh dưỡng, hạt hạt tươi khó vận chuyển mẫu sống từ nơi thu thập nơi bảo tồn, vật liệu thu thập lớn dừa (vật liệu thu dừa) Phương pháp thu thập in vitro áp dụng với nhiều trồng ca cao, nho, cà phê, cọ dầu, chuối - Kỹ thuật thu thập in vitro • Thiết lập nuôi cấy in vitro phòng thí nghiệm động gồm: • + Chọn lọc mô phù hợp để khử trùng nuôi cấy • + Cắt kích thước mô phù hợp • + Loại bỏ phần dư thừa, sâu bệnh rửa sơ • + Tiệt trùng bề mặt mô thực vật • + Rửa bỏ chất tẩy • + Cắt bỏ phần không cần thiết gây hại cho mô • + Cấy mô vào bình dinh dưỡng nút kín • + Chuyển nguồn gen vào tủ định ôn Phân loại nguồn gen thực vật 6.1 Theo hệ thống phân loại thực vật VD: lúa - Ngành - Divisio: Angiospermae – Thực vật có hoa - Lớp – Classis: Monocotyledones – Lớp mầm - Bộ - Ordines : Poales (Graminates) – Hòa thảo có hoa - Họ - Familia : Poacae (Graminae) – Hòa thảo - Họ phụ - Subfamilia : Poidae – Hòa thảo ưa nước - Tộc – Tribus : Oryzae – Lúa - Chi – Genus : Oryza – Lúa - Loài – Species : Oryza sativa – Lúa trồng - Loài phụ - Subspecies - Subsp : japonica – loài phụ Nhật Bản - Subsp : indica – loài phụ Ấn Độ - Subsp : javanica – loài phụ Java 6.3 Dựa theo nguồn gốc xuất xứ Trong nước Nhập nội Tự nhiên Nhân tạo - Cây dại - Giống địa phương - Tập đoàn thu thập giống CT giới - Quần thể lai - Các dòng tự phối - Các dạng đột biến, đa bội - Các dạng tạo ứng dụng CNSH 5.3 Tư liệu hóa xếp nguồn gen ngân hàng gen • Sau thu thập, nguồn gen xếp theo nguyên tắc định để nhận biết, tra cứu sử dụng Theo A.B Damania cs., phân loại nguồn gen thực vật có nhiều phương pháp khác như: phân loại xếp theo hệ thống phân loại thực vật, theo địa phương thu thập, sử dụng marker phân tử Tùy thuộc vào trường hợp cụ thể cần có hệ thống phân loại phù hợp, nhằm giúp cho người sử dụng dễ dàng tiếp cận để khai thác cách hiệu nguồn tài nguyên di truyền thực vật 6.2 Dựa theo nhiễm sắc thể Mỗi loài, họ tộc, chi có NST khác nên dựa vào để phân loại VD: Lúa Ngô Khoai lang Đậu tương Lạc Dưa chuột n = 12, 2n = 24 (Oryza sativa) n = 10, 2n = 20 (Zea mays) n = 45, 2n = 90 (Ipomea batatas) n = 19, 2n = 38 (Glycine hispida) n = 20, 2n = 40 (Arachis hypogea) n = 7, 2n = 14 (Cucumis sativus) 6.4 Phân loại theo điều kiện sinh thái VD: phân loại lúa IRRI - Lúa chịu hạn (Upland rice) - Lúa canh tác có tưới (Irrigrated rice) - Lúa canh tác nhờ nước trời (Rained low land rice) - Lúa chịu nước sâu (Deep water rice) - Lúa (Floated rice) Trong điều kiện sinh thái phân loại theo đặc tính - Tập đoàn chống bệnh đạo ôn - Tập đoàn chống bệnh bạc - Tập đoàn giống ngắn ngày - Tập đoàn suất cao 10 6.5 Phân nhóm di truyền dựa kiểu hình marker phân tử Phân nhóm di truyền dựa kiểu hình: bước phân tích kiểu hình để phân nhóm gồm: • Chọn quan nghiên cứu phân loại gọi OTUs (Operational Taxonomic Units) • Chọn điểm cho điểm quan • Sử dụng toán học mô tả mức khoảng cách khác cặp đặc điểm quan nghiên cứu Ví dụ hệ số so sánh S = 2; OTUs x 100 [các cặp 1,1 0,0] • Xây dựng ma trận cho tất cặp giá trị S • Sử dụng kỹ thuật đám (Cluster) để tạo sơ đồ hình cây, thông thường sử dụng (Phương pháp nhóm cặp không trọng số với giá trị trung bình số họ - (Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Averaging) – UPGMA • Như vậy, A cặp với D B cặp với C giá trị tương đồng hai giá trị chung phân tích đám (A với B) + (A với C) + (D với B) + (D với C) 0,3 + 0,4 + 0,4 + 0,3 = 14/4 = 0,35 UPGMA sơ đồ nhóm kiểu hình: Các đặc điểm Phân loại 10 A 1 0 1 B 0 1 1 1 C 0 0 0 D 1 0 0 1 Ma trận tương đồng A B A B C D - 0,3 0,4 0,7 - 0,5 0,4 - 0,3 C D - • Kết di truyền dựa kiểu trên, kết luận sau: – Nếu hệ số đồng hình 0,3, bốn mẫu nguồn gen phân thành nhóm (nhóm A D, nhóm B C) – Nếu hệ số đồng hình 0,5 phân thành nhóm (nhóm A D; nhóm B; nhóm C) – Nếu hệ số đồng hình 0,7 nghiã chúng có kiểu hình khác 30% mẫu nguồn gen khác nhau, không nhóm Bảo quản nguồn gen Phân nhóm di truyền dựa marker phân tử thực phân tích kiểu hình, thay điểm kiểu hình điểm marker Những marker phổ biến để phân tích đa dạng di truyền RAPD, RFLP, AFLP… Số marker sử dụng lớn khả phân nhóm xác, phân tích dựa khoảng cách di truyền cặp dòng phương pháp Nei Li (1979), xây dựng phả hệ xếp nguồn gen theo nhóm gần di truyền thuận lợi cho sử dụng khai thác • Quỹ gen: tập hợp toàn nguồn gen thu thập tất loài dại hay trồng Quỹ gen phục vụ cho mục tiêu trước mắt mục tiêu lâu dài Nguồn gen thu thập cần bảo quản Bảo quản nguồn gen phải đảm bảo: - Chu đáo, không hư hỏng, lẫn tạp - Bảo quản thông tin có liên quan - Bảo quản cần làm phong phú thêm nguồn gen 11 • Các phương pháp bảo quản - Bảo quản exsitu (off - side): đưa nguồn gen khỏi môi trường sống bảo quản trung tâm như: ngân hàng gen, vườn bách thảo Ưu điểm: - Chủ động giữ nguồn gen - Cách ly nghiêm ngặt Nhược điểm: - Phải có phương tiện, vật tư điều kiện bảo quản (kho lạnh) - Không phát triển làm phong phú thêm nguồn gen - Khi điều kiện môi trường thay đổi hiệu sử dụng thấp • Bảo quản insitu (on-site): bảo quản nguồn gen môi trường sinh sống chúng điều kiện đa dạng sinh học biến dị di truyền chọn lọc tự nhiên Ưu điểm: - Nguồn gen bảo tồn mà phong phú thêm có khả thu biến dị di truyền quý giá - Là phương pháp chủ yếu áp dụng để giữ vật liệu vô tính sinh sản vô tính điển hình (khoai sọ, rong riềng ) Nhược điểm: Không chủ động, dễ nguồn gen Phương pháp: - Bảo quản hộ nông dân - Thành lập trung tâm bảo tồn quỹ gen a) Ngân hàng gen hạt • Ngân hàng gen hạt phương pháp bảo tồn số lượng lớn giới Theo ghi nhận FAO, kỹ thuật bảo tồn 90% triệu mẫu nguồn gen bảo tồn ex situ toàn cầu Mặc dù vậy, kỹ thuật bảo tồn loài có hạt chống chịu nhiệt độ thấp làm khô Hạt nhiều loài không sống sót điều kiện lạnh làm khô • Thời gian bảo quản – Bảo quản ngắn hạn: < năm Hạt giống làm khô đến độ ẩm 9%, đóng bao chuyên dụng bảo quản kho chuyên dụng - Bảo quản trung hạn: – 10 năm Hạt giống làm khô đến 7%, đóng bao chuyên dụng, bảo quản kho lạnh có ẩm độ 10%, nhiệt độ -10C đến -50C - Bảo quản dài hạn: >10 năm Hạt làm khô đến 3%, đóng gói hộp kim loại bảo quản kho lạnh sâu -150C đến -200C - Bảo quản kho đặc biệt: số kiểu gen quý bảo quản điều kiện môi trường nitơ lỏng (-1980C) • Hồ sơ hóa thông tin: Đây công việc cần thiết Có phương pháp - Lưu giữ văn bản, in ấn - Lưu giữ máy tính, đĩa CD Yêu cầu thiết kế hồ sơ hóa thông tin - Dễ tra cứu - Đầy đủ nội dung tính trạng trồng xếp theo mức độ theo nhóm tính trạng Người ta chia nguồn gen thành tập đoàn cho dễ bảo quản sử dụng • Tập đoàn (Base collection), phải hạ độ ẩm hạt xuống - 6% bảo quản điều kiện nhiệt độ -10 đến -20oC cho bảo tồn dài hạn • Tập đoàn hoạt động (Active collections), hạ độ ẩm hạt xuống ± 1% bảo quản điều kiện nhiệt độ 0°C để bảo tồn trung hạn • Tập đoàn công tác (Working collections) vật liệu cho tạo giống, bảo tồn ngắn hạn Nó bảo tồn chương trình đánh giá vật liệu nhà tạo giống kỹ thuật bảo tồn thông thường tồn trữ hạt giống Độ ẩm hạt làm khô đến độ ẩm bảo quản (tùy theo loài), bảo quản điều kiện nhiệt độ môi trường 12 Hình 2.4 Sơ đồ dòng hoạt động bảo tồn ngân hàng nguồn gen hạt (Nguồn N Kameswara Rao cs., 2006) c) Bảo tồn đông lạnh (bảo tồn lạnh) • Khái niệm bảo tồn đông lạnh (Cryopreservation) trình tế bào mô trì nhiệt độ thấp 0oC, điển hình điều kiện ni tơ lỏng -196oC Tại nhiệt độ thấp, tế bào sinh vật dừng hoạt động sinh học, kể phản ứng sinh hóa, hoạt động trao đổi chất, hô hấp Các phần dung dịch, nước đóng băng suốt, tế bào bảo tồn thường bị gây hại trình đóng băng tiếp xúc với nhiệt độ ấm phòng • Một số vấn đề cần ý nhập nội giống trồng: - Các điều kiện sinh thái nơi phải đáp ứng yêu cầu giống nhập nội - Nhập nội giống lấy phần dinh dưỡng làm sản phẩm dễ thành công lấy hạt, lấy - Ưu tiên nhập nội giống trồng có tính trạng quý nhằm bổ sung cho công tác chọn giống nước b) Bảo tồn in vitro • Mặc dù, bảo tồn ngân hàng gen hạt, ngân hàng gen đồng ruộng bảo tồn ex situ áp dụng rộng rãi, nhiên chúng có hạn chế định đặc biệt loại hạt không chịu với trình làm khô, loài sinh sản sinh dưỡng Ngân hàng gen đồng ruộng thuận tiện cho đánh giá, sử dụng thường gặp rủi ro sâu bệnh, thời tiết bất thuận Do bảo tồn in vitro phương pháp bổ sung thay để khắc phục hạn chế Kỹ thuật in vitro có tiến kiểm tra bệnh trước bảo tồn, bảo tồn số lượng lớn Nhập nội giống trồng • Khái niệm: Giống trồng nhập từ nước trồng nước Có thể sử dụng: - Trực tiếp: khảo nghiệm đưa vào sản xuất - Gián tiếp: làm vật liệu tạo giống • Phương pháp nhập nội: - Bước 1: Xác định mục tiêu để lựa chọn giống nhập nội phù hợp - Bước 2: Kiểm dịch giống nhập nội, có giấy chứng nhận giấy phép nhập + Kiểm dịch nơi đến + Kiểm dịch sau nhập: vật liệu trồng điều kiện cách ly thời gian định để đảm bảo vật liệu tác nhân gây bệnh sâu hại du nhập từ nước vào - Bước 3: Tiến hành đánh giá, khảo nghiệm, nghiên cứu giống nhập nội 13 • Nhập nội thông qua chương trình thử nghiệm quốc tế (ITP – International Testing Program) Đây chương trình phối hợp nghiên cứu đa quốc gia giống trồng Các nhà chọn giống tiến hành trao đổi, thử nghiệm giống Cho nên theo đường này, nhiều giống tốt công nhận trồng phổ biến rộng rãi 10 Sử dụng nguồn gen • Sử dụng trực tiếp làm giống Thường thức ăn gia súc hay họ đậu, mà trình chọn giống chưa có đáng kể • Chuyển tính trạng đơn gen (introgression) Chuyển tính trạng đơn gen mong muốn từ loài hoang dại nguồn gen không thích nghi vào giống ưu tú, ví dụ gen kháng sâu, kháng bệnh • Phương pháp kết hợp Tạo quần thể có di truyền rộng cách kết hợp nhiều nguồn vật liệu với cho phép tái tổ hợp tối đa Chọn lọc cường độ thấp để hỗn hợp alen với Các gen có ích tổ hợp lại tách khỏi gen lợi Tiến hành chọn lọc theo khả thích nghi với điều kiện tự nhiên Kết cuối tạo tập hợp nguồn gen bổ sung cho vật liệu chọn giống Nghiên cứu nguồn gen thực vật • • • • • • Điều kiện ngoại cảnh Sơ tính trạng chất lượng Sơ tính trạng số lượng Về khả chống chịu Các tính trạng đặc biệt Thành lập tập đoàn công tác • Chuyển tính trạng số lượng Lai trực tiếp sau tạo dòng tiến hành qua nhiều chu kỳ chọn lọc • Chuyển gen nhờ thị Chỉ thị di truyền vị trí gen (locus) khác biệt bao trùm toàn genom Các thị di truyền liên kết với gen quy định tính trạng mong muốn sử dụng để chọn lọc Do đó, alen có lợi ẩn dấu kiểu hình không mong muốn nguồn gen khai thác có hiệu Phương pháp tốn 11 Giá trị nguồn gen địa phương Nguồn gen địa phương hay giống địa phương quần thể hỗn hợp dòng khác nhau, tất thích nghi tốt với điều kiện chúng tạo thành tiến hóa Các dòng phản ứng khác với sâu bệnh hại làm cho quần thể giống địa phương bảo vệ hiệu dịch bệnh Các giống địa phương lai với vật liệu ưu tú áp dụng phương pháp cải tiến quần thể tiêu chuẩn để chọn lọc 14 12 Vốn gen (gene pool) Vốn gen nguồn tài nguyên di truyền loài trồng định có mối quan hệ di chuyển gen chúng với thông qua đường sinh sản hữu tính - Vốn gen sơ cấp: di chuyển gen thành viên dễ dàng, quần thể trồng trọt, giống địa phương - Vốn gen thứ cấp, quan hệ họ hàng chi: chuyển gen với khó khăn - Vốn gen tam cấp: chuyển gen đơn vị phân loại đòi hỏi kỹ thuật cao (khác chi, chi) 15 [...]... rộng bằng cách kết hợp nhiều nguồn vật liệu với nhau cho phép tái tổ hợp tối đa Chọn lọc cường độ thấp để hỗn hợp các alen với nhau Các gen có ích được tổ hợp lại và tách ra khỏi các gen không có lợi Tiến hành chọn lọc theo khả năng thích nghi với điều kiện tự nhiên Kết quả cuối cùng là tạo ra một tập hợp nguồn gen bổ sung cho vật liệu chọn giống 9 Nghiên cứu nguồn gen thực vật • • • • • • Điều kiện ngoại... phong phú thêm nguồn gen 11 • Các phương pháp bảo quản - Bảo quản exsitu (off - side): là đưa nguồn gen ra khỏi môi trường sống của nó về bảo quản ở các trung tâm như: ngân hàng gen, vườn bách thảo Ưu điểm: - Chủ động giữ nguồn gen - Cách ly được nghiêm ngặt hơn Nhược điểm: - Phải có phương tiện, vật tư và điều kiện bảo quản (kho lạnh) - Không phát triển và làm phong phú thêm nguồn gen - Khi điều kiện... của Nei và Li (1979), xây dựng cây phả hệ và sắp xếp nguồn gen theo các nhóm gần nhau về di truyền thuận lợi cho sử dụng và khai thác • Quỹ gen: là tập hợp toàn bộ nguồn gen thu thập được của tất cả các loài cây dại hay cây trồng Quỹ gen có thể phục vụ cho mục tiêu trước mắt và mục tiêu lâu dài Nguồn gen thu thập cần được bảo quản Bảo quản nguồn gen phải đảm bảo: - Chu đáo, không hư hỏng, lẫn tạp -... lọc • Chuyển gen nhờ chỉ thị Chỉ thị di truyền là những vị trí gen (locus) khác biệt nhau bao trùm toàn bộ genom Các chỉ thị di truyền liên kết với gen quy định tính trạng mong muốn sẽ được sử dụng để chọn lọc Do đó, các alen có lợi ẩn dấu trong 1 kiểu hình không mong muốn của nguồn gen có thể được khai thác có hiệu quả Phương pháp này tốn kém 11 Giá trị của nguồn gen địa phương Nguồn gen địa phương... lai với vật liệu ưu tú và áp dụng các phương pháp cải tiến quần thể tiêu chuẩn để chọn lọc 14 12 Vốn gen (gene pool) Vốn gen là nguồn tài nguyên di truyền của một loài cây trồng nhất định có mối quan hệ là sự di chuyển gen giữa chúng với nhau thông qua con đường sinh sản hữu tính - Vốn gen sơ cấp: sự di chuyển gen giữa các thành viên dễ dàng, quần thể trồng trọt, các giống địa phương - Vốn gen thứ... hình là 0,3, bốn mẫu nguồn gen trên có thể phân thành 2 nhóm (nhóm 1 là A và D, nhóm 2 là B và C) – Nếu hệ số đồng hình là 0,5 có thể phân thành 3 nhóm (nhóm 1 là A và D; nhóm 2 là B; và nhóm 3 là C) – Nếu hệ số đồng hình là 0,7 nghiã là chúng có kiểu hình khác nhau 30% thì 4 mẫu nguồn gen trên khác nhau, không cùng nhóm 7 Bảo quản nguồn gen Phân nhóm di truyền dựa trên marker phân tử thực hiện phân tích... nguồn gen tại môi trường sinh sống của chúng trong điều kiện đa dạng sinh học biến dị di truyền và chọn lọc tự nhiên Ưu điểm: - Nguồn gen không những được bảo tồn mà còn phong phú thêm do có khả năng thu được các biến dị di truyền mới quý giá - Là phương pháp chủ yếu áp dụng để giữ vật liệu vô tính của cây sinh sản vô tính điển hình (khoai sọ, rong riềng ) Nhược điểm: Không chủ động, dễ mất nguồn gen. .. nhận và trồng phổ biến rộng rãi 10 Sử dụng nguồn gen • Sử dụng trực tiếp làm giống Thường những cây thức ăn gia súc hay cây họ đậu, những cây mà quá trình chọn giống chưa có gì đáng kể • Chuyển các tính trạng đơn gen (introgression) Chuyển các tính trạng đơn gen mong muốn từ loài hoang dại hoặc nguồn gen không thích nghi vào các giống ưu tú, ví dụ như các gen kháng sâu, kháng bệnh • Phương pháp kết... Không chủ động, dễ mất nguồn gen Phương pháp: - Bảo quản trên hộ nông dân - Thành lập các trung tâm bảo tồn quỹ gen a) Ngân hàng gen hạt • Ngân hàng gen hạt là phương pháp bảo tồn số lượng lớn nhất trên thế giới Theo ghi nhận của FAO, kỹ thuật này hiện nay bảo tồn 90% của 6 triệu mẫu nguồn gen bảo tồn ex situ toàn cầu Mặc dù vậy, kỹ thuật này chỉ có thể bảo tồn loài có hạt chống chịu nhiệt độ thấp và... (Working collections) là vật liệu cho tạo giống, do vậy bảo tồn ngắn hạn Nó được bảo tồn trong chương trình đánh giá vật liệu của nhà tạo giống và kỹ thuật bảo tồn thông thường như tồn trữ hạt giống Độ ẩm hạt được làm khô đến độ ẩm bảo quản (tùy theo loài), bảo quản trong điều kiện nhiệt độ môi trường 12 Hình 2.4 Sơ đồ dòng hoạt động trong bảo tồn ngân hàng nguồn gen hạt (Nguồn N Kameswara Rao và cs., ... sâu hại du nhập từ nước vào - Bước 3: Tiến hành đánh giá, khảo nghiệm, nghiên cứu giống nhập nội 13 • Nhập nội thông qua chương trình thử nghiệm quốc tế (ITP – International Testing Program) Đây