Chọn giống lúa ưu thế lai

• Sau 9 năm nghiên cứu các nhà khoa học Trung Quốc đã chọn tạo thành công nhiều dòng CMS, dòng B, dòng R, hoàn thiện công nghệ nhân dòng bất dục đực, sản xuất hạt giống lúa lai F1 và đư

Chän Gièng Lóa ¦u ThÕ Lai

1 Lịch sử nghiên cứu và phát triển lúa lai

* J.W Jone (1926) lần đầu tiên báo cáo về sự xuất hiện ưu thế lai ở lúa trên những tính trạng số lượng và năng suất

• Rao (1965) xác nhận có ưu thế lai về tích luỹ chất khô.

• MC Donal và cộng sự (1971) xác nhận có ưu thế lai về

cường độ quang hợp, cường độ hô hấp, diện tích lá.

• Anonymous (1974) cho thấy có ưu thế lai về về sự phát

triển của bộ rễ.

• Anonymous (1977) xác nhận sự xuất hiện ưu thế lai về

năng suất, các yếu tố cấu thành năng suất

 Tuy nhiên, lúa là cây tự thụ phấn điển hình khả năng nhận phấn ngoài rất thấp, do đó khai thác ưu thế lai ở lúa đặc biệt khó khăn ở khâu sản xuất hạt lai F1.

 Đã có nhiều nghiên cứu tìm phương pháp sản xuất hạt lai F1 được thực hiện khá sớm, từ năm 1937, Kadam đã bắt đầu đến Richharia (1962), Stansel và Craigmiles (1966), Shinjyo và Omura (1966), Amand và Murty (1968), Sawaminathan và cộng sự (1972), Carnahan và cộng sự (1972); Athwal và Virmani (1972), song tất cả họ không thành công.

• Năm 1964, Yuan Long Ping đã phát hiện được cây lúa bất dục trong loài lúa dại Oryza fatua spontanea tại đảo Hải Nam

• Sau đó họ đã thành công trong việc chuyển gen bất dục đực tế bào chất vào lúa trồng , tạo ra các dòng lúa bất dục (CMS) mở đường cho công tác khai thác ưu thế lai thương phẩm.

• Sau 9 năm nghiên cứu các nhà khoa học Trung Quốc đã chọn

tạo thành công nhiều dòng CMS, dòng B, dòng R, hoàn thiện công nghệ nhân dòng bất dục đực, sản xuất hạt giống lúa lai F1 và đưa ra sản xuất nhiều tổ hợp lai có năng suất cao đánh dấu sự ra đời của hệ thống lúa lai “Ba dòng”, mở ra bước ngoặt trong lịch sử sản xuất và thâm canh cây lúa

From 1964, Prof LP Yuan and his group started indica hybrid rice research.

“WA” type CMS plants were found in 1970 in Hainan Island of China.

2 Vai trò của lúa lai

 Lúa lai góp phần đảm bảo an ninh lương thực cho một quốc gia có hơn một tỷ dân chiếm trên 22% dân số thế giới.

 Tiến bộ kỹ thuật về lúa lai được coi như mở đầu cuộc

“cách mạng xanh lần thứ hai” trong nông nghiệp.

 Đã đưa năng suất lúa tăng bình quân 20-30% so với sử dụng giống lúa nửa lùn cải tiến

 Lúa lai không chỉ mở ra một tiềm năng phá thế “kịch trần” về năng suất lúa và mở rộng diện tích nhanh chóng ở Trung Quốc

3 Khái niệm về giống lúa ưu thế lai

* Lúa ưu thế lai, gọi tắt là lúa lai (Hybrid Rice) là các giống lúa chỉ

sử dụng hạt lai tạo ra do tế bào trứng của một giống được thụ tinh bằng hạt phấn của cây lúa khác giống (hạt F1) để gieo cấy một lần nhằm khai thác tiềm năng cao nhất (tiềm năng ƯTL) về năng suất, chất lượng và khả năng thích ứng, chống chịu.

* Lúa thường (Conventional Rice), lúa truyền thống (Traiditional Rice), lúa thuần (Pure line Rice) hoặc lúa tự phối (Inbred Rice)

là tên gọi các giống lúa mà từ xưa đến nay người nông dân vẫn dùng để gieo trồng Hạt giống được tạo ra do tế bào trứng thụ tinh bằng chính hạt phấn của cùng một hoa hoặc từ các hoa cùng cây hoặc từ các cây khác cùng giống.

CÊu t¹o hoa lóa:

C¸c bé phËn cña h¹t vµ qu¸ tr×nh thô phÊn, thô

tinh

Sù ph¸t triÓn cña néi nhò sau khi thô tinh

4 Cơ sở di truyền của hiện tượng ưu thế lai

4.1 Các giả thuyết giải thích hiện tượng ƯTL

 Charle Dawin cho rằng cây giao phấn có sức sống mạnh hơn cây tự thụ phấn là do chúng được hình thành bởi tế bào sinh dục đực khác cây (khác biệt về di truyền) kết hợp với tế bào sinh dục cái

 Shull và East (1908) cho rằng ƯTL gắn liền với trạng thái dị hợp tử của các gen

 Cho đến nay đó có nhiều giả thuyết khác nhau được nêu ra để giải thích hiện tượng ƯTL.

*Thuyết siêu trội

 Thuyết siêu trội hay còn gọi là thuyết về sự tương tác giữa các allen khác nhau cùng vị trí.

 Theo thuyết này thì các tính trạng có lợi cho sự sinh trưởng

và phát triển của cây trồng do các gen trội kiểm soát, còn các gen lặn tương ứng thì có tác dụng ngược lại

 Trên cùng một vị trí (locut) nếu đồng thời tồn tại allen trội và lặn thì sẽ sản sinh ra các vật chất (enzym) có tác dụng kích hoạt mạnh thêm làm cho sức sống, sức sinh sản vượt xa so với loại mang allen đồng hợp tử

 Có thể biểu diễn sự vượt trội đó bằng biểu thức sau:

AA< Aa> aa hay a1 a1<a1 a2>a2 a2

Dòng tự phối A X Dòng tự phối B Dòng tự phối A X Dòng tự phối B

AAbbCCdd ↓ AAbbCCdd AAbbCCdd ↓ aaBBccDD

F1 F1

AAbbCCdd AaBbCcDd

Không có ƯTL, số lượng Có ƯTL, số lượng gen trội gấp đôi, gen trội bằng bố mẹ gen lặn xấu bị ức chế (che khuất)

* Thuyết cân bằng di truyền

 Thuyết cân bằng di truyền cho rằng mỗi cơ thể sinh vật tồn tại được trong tự nhiên là do bản thân nó có một kiểu cân bằng phù hợp với điều kiện sống

 Cân bằng này tồn tại trong cấu trúc gen của mỗi tế bào Khi lai hai

cá thể có kiểu cân bằng khác nhau, sẽ tạo ra một cơ thể mới với cân bằng di truyền mới khác hẳn cân bằng cũ

 Cân bằng mới này sẽ tạo ra kiểu hình mới tốt hơn hoặc có khi xấu hơn kiểu hình ban đầu Nếu kiểu hình mới tốt hơn chứng tỏ cân bằng mới là phù hợp hơn và cho ƯTL cao.

* Gen trong tế bào chất và vai trò của chúng trong ƯTL

 DNA trong ty thể và lạp thể có tầm quan trọng đối với việc chọn tạo giống ƯTL hệ “ba dòng”

 Tế bào chất của thực vật bậc cao trong đó có lúa chứa đựng các thông tin di truyền từ nhân, lạp thể và ty thể.

 Gen trong tế bào chất tải năng lượng, chứa đựng những thành phần cần thiết tham gia vào quang hợp cũng như sự biểu hiện các thông tin di truyền khác trong tế bào chất

 Các thành tựu nghiên cứu của sinh học phân tử đã thiết kế nhiều gen cho quang hợp và sự biểu hiện của các gen lạp thể (ctDNA).

4.2 Phân loại ưu thế lai

* Ưu thế lai sinh sản

 Là sự vượt trội về khả năng sinh sản của con lai F1 so với bố mẹ chúng.

Cây lai ra hoa nhiều, hạt nhiều, hạt to mẩy, cú khối lượng riêng cao,

độ hữu dục cao, dẫn đến năng suất cao.

Ưu thế lai sinh sản là loại ƯTL quan trọng hàng đầu trong chọn giống ƯTL và chủ yếu ứng dụng đối với cây lương thực lấy hạt (ngô, lúa) và một số loại cây thực phẩm.

* Ưu thế lai sinh dưỡng

 Các cơ quan sinh dưỡng như rễ, thân, lá đều sinh trưởng mạnh.

 Cây lai có nhiều cành, nhánh, thân lá lớn hơn, dầy hơn, tích luỹ nhiều sản phẩm quang hợp hơn.

 Thu được tổng lượng chất khô cao hơn hay nói cách khác cây lai có sinh khối lớn hơn

 Có giá trị đặc biệt đối với các cây sử dụng các bộ phận sinh dưỡng thân lá, củ như cây mía, đay, các loại rau ăn lá, bắp cải, hành tây, khoai tây

4.3 Các thông số sau đây được sử dụng để tính toán ƯTL

* ƯTL giả định (Heterosis) hay còn gọi là ƯTL trung bình

Ưu thế lai trung bình được sử dụng trong lai thử để tìm hiểu xem con lai có giá trị hơn hẳn bố mẹ chúng là bao nhiêu.

F1-1/2 (P1+P2)

Hm % =  x 100

1/2 (P1+P2)

Trong đó:

- Hm là ưu thế lai trung bình (%)

- F1 là số đo trung bình của tính trạng ở con lai F1

- P1,P2 là số đo trung bình của tính trạng tương ứng ở bố và mẹ.

* Ưu thế lai thực (Heterobeltiosis)

Được sử dụng để đánh giá mức độ vượt trội của con lai F1 so với

bố mẹ tốt nhất trên các tính trạng cần quan tâm nghiên cứu (năng suất, TGST, chiều cao cây, chất lượng nông sản )

- F1 là số đo tính trạng ở con lai F1

- Pb là số đo tính trạng bố hoặc mẹ có giá trị cao nhất.

* Ưu thế lai chuẩn (Standard heterosis)

Được sử dụng để đánh giá trong thí nghiệm khảo sát các tổ hợp lai thử, lai thử lại và trong thí nghiệm so sánh giống lai hoặc các thí nghiệm khảo nghiệm Quốc gia nhằm tìm ra các tổ hợp lai mới hơn hẳn các giống đang

sử dụng trong sản xuất về năng suất, các yếu tố cấu thành năng suất, TGST, chiều cao cây, chất lượng nông sản, khả năng chống chịu sâu bệnh, điều kiện ngoại cảnh bất thuận

F1-S

Hs % =  x 100

S

Trong đó:

- Hs% là ưu thế lai chuẩn

- F1 là số đo của tính trạng ở con lai F1

- S là số đo của tính trạng ở giống được chọn làm đối chứng

Nhân hạt ở nhiệt độ thấp

TGMS

ở nhiệt độ cao

X

Dòng cho phấn

F1

Nhân hạt trong điều kiện ngày ngắn

Lúa lai ba dòng Lúa lai hai dòng

5 Hệ thống lúa lai “ba dòng”

Hệ thống lai ba dòng phải có ba dòng bố mẹ tham

gia vào một tổ hợp lai, đó là:

- Dòng mẹ bất dục đựcdi truyền tế bào chất (A)

- Dòng bố duy trì tính bất dục đực (B)

- Dòng bố phục hồi tính hữu dục (R).

5.1 Dòng bất dục đực di truyền tế bào chất

(Cytoplasmic Male Sterility: CMS, còn gọi là dòng A)

+ Bao phấn lép, thon dài, đầu nhọn không mở

+ Khi nhuộm màu hạt phấn bằng dung dịch I-KI 1%) và quan sát d ới kính hiển vi thấy hạt phấn có hình dạng không bình th ờng: Hình thoi, tam giác, bán cầu, vỏ nhăn nheo

+ Nuôi cấy hạt phấn trong môi tr ờng thạch (Aga) không nảy mầm

+ Bao cách ly các bông lúa của dòng A, không thu đ ợc hạt

tự thụ.

Hạt phấn bất dục Hạt phấn hữu dục

- Hình thái cây lúa trong quá trình sinh trưởng sinh dưỡng bình thường như các giống lúa khác.

- Khi lúa trỗ bị nghẹn đòng (đoạn nghẹn dài 5 - 15cm).

- Hoa nằm trong bẹ lá không có cơ hội tiếp xúc với hạt phấn của giống bố để thụ tinh

- Dòng A có các cơ quan sinh tr ởng sinh d ỡng : Rễ,

thân, lá khoẻ mạnh bình th ờng Một số bộ phận của cơ quan sinh sản cái phát triển tốt hơn: nhuỵ to, cuống

nhuỵ dài, đầu nhuỵ phân nhánh nhiều, lông tơ trên núm nhuỵ dầy to, thời gian nhận phấn của nhuỵ kéo dài hơn hẳn lúa th ờng.

- Khi nở hoa vòi nhuỵ v ơn dài , khi vỏ trấu khép lại

đầu nhuỵ nằm bên ngoài, còn khả năng hứng phấn,

thụ tinh đến ngày thứ 4, thứ 5 sau khi hoa nở

B¶ng 1 Sù kh¸c nhau vÒ cÊu tróc h×nh th¸i th©n chÝnh

cña mét sè dßng CMS vµ lóa th êng (§¹i häc N«ng nghiÖp HN, 2000)

(cm)

ChiÒu dµi lãng…(cm) ChiÒu dµi bÑ l¸ …

(cm)

D íi cæ b«ng (thø 1)

Bảng 2 Tỷ lệ đậu hạt của các dòng bất dục đực ở các ngày

thụ phấn sau khi nở hoa (%) (Đại học Nông nghiệp HN,1999).

Ngày thụ phấn BoA II-32A Jin23A T29S Peiai

Tiêu chuẩn dòng A tốt để sản xuất hạt lai F1:

+ Tính bất dục di truyền ổn định

+ Hạt phấn bất dục hoàn toàn và ổn định

+ Phải t ơng đối dễ phục hồi

+ Độ trỗ thoát bông càng nhiều càng tốt và nhậy cảm với GA3

+ Khi lai với dòng R tỷ lệ đậu hạt cao

Hybrid (fertile)

R line (fertile)

Hệ thống bất dục đực tế bào chất

5.1.1 Phân loại bất dục

a Phân loại dựa theo đặc điểm di truyền

* Kiểu bất dục bào tử thể (Sporophytic)

Tính bất dục của hạt phấn được kiểm soát bởi kiểu gen trong tế bào

cơ thể, hạt phấn không mang gen bất dục

Khi kiểu gen của cây là S(rr) thì tất cả hạt phấn đều bất dục

Nếu kiểu gen là N(RR) hoặc S(RR), tất cả hạt phấn đều hữu dục

Kiểu gen S(Rr) sinh ra hai loại giao tử S(R) và S(r) tất cả hạt phấn hữu dục, vì chúng được kiểm soát bởi gen trội trong bào tử khởi đầu

Trong quần thể F2 khi phân ly thì xuất hiện 25% số cây bất dục đực (Theo qui luật phân ly đơn gen của Menden 3 hữu dục:1 bất dục).

Kiểu bất dục bào tử thể có hạt phấn thoái hoá sớm ở thời kỳ phát triển tiểu bào tử, vì vậy hầu hết hạt phấn bất dục đều méo mó, không bình thường , không nhuộm màu trong I-KI 1%.

• Kiểu bất dục đực giao tử thể (Gametophytic)

 Hạt phấn bị thoái hoá do kiểu gen của chính hạt phấn (giao tử đực)

điều khiển mà không phụ thuộc vào kiểu gen của cây.

 Gen nhân R và r trong giao tử điều khiển tính hữu dục và bất dục, giao tử S(r) bất dục (không có khả năng thụ tinh)

 Con lai F1 (A / R) có hai kiểu gen của hạt phấn là S(R) và S(r) với tỷ lệ ngang nhau (khoảng 50% số hạt phấn hữu dục và 50% bất dục)

 Những hạt phấn bất dục không thể thụ tinh được, tuy nhiên 50% số hạt phấn hữu dục còn lại vẫn đủ để thụ tinh, vì vậy tỷ lệ đậu hạt của F1 bình thường, F2 không phân ly ra cây bất dục như trường hợp của kiểu bào tử thể

b Phân loại theo quan hệ giữa dòng phục hồi và dòng duy trì

• Bất dục đực dạng hoang dại (Wild Abortion “WA”)

Thuộc hệ thống bất dục đực bào tử thể, được hình thành do lai giữa

lúa dại với lúa trồng: Indica chín sớm (Zhen shan 97, V20, V41), Indica ngắn ngày của Trung Quốc có thể duy trì, trái lại các giống Indica

vùng Đông Nam Á có thể phục hồi kiểu “WA” như IR24, IR26.

* Bất dục đực kiểu “BT”

Là kiểu đặc trưng cho loài phụ Japonica ( Tai chung 65A,

Li ming A, Feng jinA, Tiên 1A, Tiên 3A) Hầu hết các giống

lúa Japonica có thể duy trì kiểu bất dục này Các gen phục hồi có nguồn gốc từ các giống thuộc loài phụ

Indica đã được lai chuyển sang Japonica Một số giống Indica ở vùng núi cao Vân Nam Trung Quốc, vùng Đông

Nam Á có thể phục hồi trực tiếp cho kiểu “BT”.

c.Phân loại bất dục theo hình thái hạt phấn

• Kiểu bẩt dục điển hình

Hạt phấn bất dục có hình dạng không bình thường (tam giác, thoi, hình cầu khuyết), nhuộm trong dung dịch I-KI 1%, hạt phấn không chuyển màu xanh đen Quá trình thoái hoá hạt phấn diễn ra sớm (giai đoạn tiểu bào tử đơn nhân) nên còn gọi là “Bất dục đơn nhân” Các dòng bất dục đực kiểu “WA” đều có dạng hạt phấn bất dục điển hình.

• Bất dục phấn hình cầu

Hạt phấn có hình cầu, có kích thước to nhỏ khác nhau, quan sát trên kính hiển vi có thể thấy hạt phấn hai nhân nên gọi là kiểu “Bất dục hai nhân”, các dòng bất dục kiểu “Hồng liên” thuộc loại này.

• Bất dục phấn nhuộm màu

Hạt phấn bất dục hình cầu hoặc bán cầu, nhuộm màu nhẹ từng phần hoặc xuất hiện một số chấm đen là những hạt tinh bột tích luỹ chưa đầy dủ Hạt phấn bị thoái hoá ở thời kỳ ba nhân nên gọi là “Bất dục ba nhân” Các dòng bất dục kiểu “BT” thộc loại này.

5.1.2 Nhận biết cây lúa bất dục

a.) Quan sát bằng mắt

Cây lúa khi trỗ bông, tìm cây trỗ nghẹn đòng, khi nở hoa, bao phấn nhỏ, lép, màu vỏ bao vàng ngà, trắng sữa, không mở, không có hạt phấn tung ra, góc mở vỏ trấu lớn.

b.) Bao cách ly bông lúa mới trỗ

Khi quan sát thấy cây lúa có kiểu hình như mô tả trên, tiến hành bao cách ly các bông mới trỗ (chưa tung phấn), ghi thẻ, sau khi bao 15 ngày mở ra quan sát, nếu không có hạt mẩy trên bông thì cây lúa đó

là bất dục đực.

c.) Quan sát hạt phấn trên kính hiển vi

Quan sát trên kính hiển vi để nhận dạng hạt phấn bất dục, hữu dục (Hạt phấn hữu dục tròn căng có màu xanh sẫm, hạt phấn bất dục có hình dạng méo mó, tam giác, hình thoi, màu vàng nâu nhạt).

5.2 Dòng duy trì bất dục (maitainer line, dòng B)

 Dòng duy trì tính bất dục đực là dòng cho phấn dòng A để tạo

ra hạt A Khi gieo hạt lai A/B thu được cây có hạt phấn bất dục.

 Gen lặn kiểm soát tính bất dục đực ở nhân tế bào, tế bào chất không có nhân tố gây bất dục N(rr).

 Có phấn hữu dục như lúa thường, nhân bằng phương thức tự thụ phấn.

 Dòng B có đặc điểm nông sinh học tốt như các giống lúa thường, thời gian sinh trưởng ngắn, sức sinh trưởng mạnh.

 Dòng A và B là hai dòng “chị em” giống nhau về mọi tính trạng hình thái, khác nhau về tính dục, về cấu tạo hoa, đặc điểm nở hoa, độ thoát cổ bông khi lúa trỗ và về phương thức nhân giống.

 Mỗi dòng B chỉ duy trì tính bất dục cho một dòng A tương ứng.