Bai thu hoach Di truyền chọn giống thực vật

Chọn giống cây trồng hay thực vật nói chung (plant breeding) là một lĩnh vực quan trọng của sản xuất nông nghiệp; mục đích của nó là tạo ra ngày càng nhiều giống cây trồng mới có năng suất cao, chất lượng tốt, chống chịu được các điều kiện bất thuận (như sâu bệnh, hạn, úng, nóng, rét...) Về thực chất, đó là sự tiến hoá của thực vật do con người điều khiển, được hình thành từ trong thực tiễn trồng trọt qua hàng ngàn năm kể từ khi con người bắt đầu mò mẫm thuần hoá cây trồng dựa theo kinh nghiệm. Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, đặc biệt là sự phát triển của di truyền học trong suốt 100 năm nay, công tác chọn tạo giống cây trồng đã xây dựng được một nền tảng khoa học vững chắc và không ngừng được hoàn thiện. Nhờ đó đã tạo ra hàng loạt các giống cây trồng mới, nhất là các giống ngũ cốc, góp phần xoá đói giảm nghèo mang lại cuộc sống ấm no và cải thiện sức khoẻ cho con người. I. TỔNG QUAN VỀ GIỐNG CÂY TRỒNG 1. Định nghĩa về giống cây trồng Giống là một nhóm cây trồng, có đặc điểm kinh tế, sinh học và các tính trạng hình thái giống nhau, cho năng suất cao, chất lượng tốt ở các vùng sinh thái khác nhau và điều kiện kỹ thuật phù hợp. Giống (Varieties, Cultivar) do một nhóm thực vật hợp thành nên có một nguồn gốc chung từ một cá thể hay một số cá thể có đặc tính, tính trạng giống nhau. Giống cây trồng là một quần thể thực vật có giá trị sử dụng bởi các tính trạng về đặc điểm sinh lý, về sinh trưởng phát dục, về canh tác của các cá thể giống nhau trong quần thể, đảm bảo tính đồng đều, tính ổn định của giống. Từ khái niệm trên đi đến định nghĩa về giống cây trồng như sau: Giống cây trồng là một quần thể cây trồng do con người sáng tạo ra nhằm thỏa mãn những yêu cầu nào đó của mình. Nhóm cây trồng đó phải có tính di truyền và biến dị nhất định, phải có những đặc trưng về đặc tính sinh vật, về hình thái, về kinh tế nhất định, có tính di truyền ổn định và được thực tiễn kiểm chứng có khả năng cho năng suất cao, phẩm chất tốt trong những khu vực và điều kiện canh tác nhất định. Theo Pháp lệnh giống cây trồng số 032004 LCTN ngày 04042004 định nghĩa Giống cây trồng là một quần thể cây trồng đồng nhất về hình thái và có giá trị kinh tế nhất định, nhận biết được bằng sự biểu hiện của các đặc tính do kiểu gen quy định và phân biệt được với bất kỳ quần thể cây trồng nào khác thông qua sự biểu hiện ít nhất một đặc tính và di truyền cho đời sau. Theo FAO thì giống phải hội đủ ba điều kiện: Đặc thù riêng biệt (Distinct) Đồng nhất về: Hình thái, sinh học, kinh tế (Homogenous) Ổn định (Stable) Từ khái niệm về giống như vậy, ta có thể hình dung giống cây trồng (crop variety; cultivar) là một nhóm các thực vật có các đặc trưng sau: Có nguồn gốc chung với các tính trạng hay đặc điểm giống nhau. Mang tính di truyền đồng nhất (nghĩa là có sự ổn định, ít phân ly) về các tính trạng hình thái và một số đặc tính nông sinh học khác như: chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, khả năng chống chịu sâu bệnh v.v. Mang tính khu vực hoá, nghĩa là tất cả các đặc điểm hay tính trạng của giống được biểu hiện trong những điều kiện ngoại cảnh (như đất đai, khí hậu, các biện pháp kỹ thuật sản xuất) nhất định. Từ đây xuất hiện các khái niệm về giống chịu hạn, chịu mặn, chịu úng v.v. Do con người tạo ra nhằm thoả mãn một hoặc một vài nhu cầu và thị hiếu nhất định, như: năng suất cao, chất lượng tốt, giá trị thương phẩm cao. Khi đề cập đến khái niệm giống, thông thường người ta muốn đề cập tới các tính trạng và đặc tính của giống Tính trạng (characters): Đó là những đặc điểm về hình thái và cấu tạo quan sát được của các cây trong cùng một giống giúp ta phân biệt với các giống khác trong cùng một loài. Để nhận biết các tính trạng như vậy, thường người ta chia ra các nhóm sau đây: + Các đặc điểm về hình thái, như: chiều cao cây, chiều dài bông, số hạt trên bông, số bông trên khóm, kích thước lá v.v. Nói chung đây là những tính trạng số lượng (quantitative characters), nghĩa là có thể cânđongđođếm được; chúng thường do nhiều gene kiểm soát và chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện môi trường. + Các đặc điểm về cấu tạo, như: độ dày của bông, màu sắc và hình dạng của thân, lá, hoa và quả ... Đây là những tính trạng chất lượng (qualitative characters), thường do một gene kiểm soát, ít chịu tác động của điều kiện ngoại cảnh và có thể quan sát được bằng mắt thường. + Diễn biến của một quá trình sinh học, như: hô hấp, quang hợp, hoặc phản ứng quang chu kỳ v.v. thường tỏ ra rất mẫn cảm với các điều kiện sinh thái của môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, độ dài ngày. Tất cả các yếu tố này có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự hoạt động của các enzyme kiểm soát một quá trình sinh học cụ thể, và qua đó có thể ảnh hưởng đến các tính trạng chất lượng. Đặc tính (characteristics): Đó là những tính chất hay đặc điểm sinh lý, sinh hoá đặc trưng có liên quan đến các đặc tính chống chịu của thực vật và đặc điểm kỹ thuật canh tác 2. Định nghĩa về dòng Dòng là tập hợp các cá thể có quan hệ họ hàng thân tộc với nhau. Dòng thuần là tập hợp các cá thể đồng hợp tử được sinh ra từ những thế hệ nối tiếp nhau của các cá thể đồng hợp tử, giống hệt nhau về mặt di truyền và hình thái (hình dạng, màu sắc...) Ví dụ: Ở thực vật, dòng thuần có thể tạo ra được bằng cách cho tự thụ phấn liên tiếp nhiều thế hệ trên cùng một quần thể. Tính dị hợp sẽ giảm 12 sau mỗi thế hệ tự thụ. Ở động vật khi thuần hóa một giống dễ dẫn đến hiện tượng đồng huyết, làm giảm sức sống của giống. Tính trạng là những đặc điểm về hình thái, cấu tạo của thực vật. Ví dụ: chiều cao cây, số là, số đốt, màu sắc hoa, quả, hạt … Đặc tính là các đặc điểm về sinh lý, sinh hóa và các đặc điểm kỹ thuật của thực vật. Ví dụ: tính chịu phèn, mặn, chịu hạn … 3. Vai trò của giống cây trồng Giống tốt có tác dụng làm tăng năng suất. Giống tốt có thể thích hợp với cơ giới hóa, giảm bớt nặng nhọc cho người lao động, tăng năng suất lao động. Giống tốt có thể tăng vụ, luân canh, bố trí cây trồng hợp lý nhằm sử dụng ruộng đất có hiệu quả nhất. Giống tốt có thể tăng phẩm chất không ngừng. Giống tốt tạo điều kiện phòng chống thiên tai, sâu bệnh có hiệu quả ít tốn kém. 4. Đặc điểm của giống, tiêu chuẩn giống tốt Những đặc điểm của giống: Giống là sản phẩm sáng tạo của con người bằng lao động liên tục, lâu dài và được hình thành nhờ chọn lọc nhân tạo. Giống có tính đồng nhất về di truyền, được biểu thị ra ngoài bởi các tính trạng hình thái, nông học, kinh tế… Giống là đơn vị phân loại thực vật tương đương với thứ, biến chủng. Cây dại không có giống mà chỉ có dạng (Forma). Giống có tính khu vực Giống có tính thời gian Tính tương đối về sự biểu hiện các tính trạng Tiêu chuẩn giống tốt: Năng suất cao và ổn định Phẩm chất tốt Chống chịu tốt Thời gian sinh trưởng phù hợp Chất lượng hạt giống tốt Sạch sâu bệnh Phù hợp với phương thức canh tác của vùng 5. Phân loại giống Có 2 cách phân loại giống cây trồng: + Phân loại theo nguồn gốc + Phân loại theo phương thức chọn tạo Phân loại theo nguồn gốc Giống địa phương (Giống bản địa): Là những giống cây trồng được hình thành trong do quá trình chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo ở điều kiện tự nhiên của địa phương dưới tác dụng của tự nhiên lâu dài và các biện pháp chọn lọc nhân tạo đơn giản. Đặc điểm của giống địa phươnglà rất thích nghi với điều kiện tự nhiên và điều kiện sản xuất ở địa phương. Cho nên ở khu vực phân bố của nó năng suất hàng năm rất ổn định. Các giống địa phương không những có vị trí quan trọng trong sản xuất mà còn dùng làm vật liệu khởi đầu để tạo ra các giống mới tốt hơn. Ví dụ: Giống xoài cát hòa lộc (Tiền Giang), giống nhãn xuồng cơm vàng (Bà Rịa – Vũng Tàu), giống bưởi da xanh (Bến Tre). Giống nhân tạo: Do các cơ quan nghiên cứu tạo ra bằng các phương pháp chọn tạo khoa học. Chúng có độ đồng đều cao về các tính trạng hình thái và các đặc tính sinh vật, kinh tế. Tuỳ theo phương thức chọn tạo phân ra các loại giống. Giống quần thể: thu được bằng cách chọn lọc hàng loạt (chọn lọc hỗn hợp) các cây giao phấn hoặc tự thụ. Giống dòng: là giống được tạo bằng phương pháp chọn lọc cá thể ở các cây tự thụ phấn. Đây là giống thế hệ sinh sản từ một cây. Giống lai : giống tạo ra bằng cách lai giống và chọn lọc từ quần thể lai Giống dòng vô tính Giống đa bội Giống đột biến Giống du nhập: Là các giống được du nhập từ nước ngoài. Các giống này có năng suất cao, phẩm chất khá, thích hợp với điều kiện canh tác hiện đại. Nhưng khả năng thích ứng chưa rõ, vì thế cần phải qua quá trình khảo nghiệm, chọn lọc. Phân loại theo phương thức chọn tạo: Giống mới là những giống được tạo ra bằng phương pháp khoa học do các cơ quan chọn tạo giống của nhà nước hoặc tư nhân thực hiện. Đặc điểm: Thích hợp với điều kiện canh tác hiện nay Khá thích nghi với điều kiện địa phương Có năng suất cao, phẩm chất tốt nhưng tính di truyền chưa ổn định. Giống quần thể, giống dòng, giống lai, giống dòng vô tính, giống đa bội, giống đột biến, giống chuyển gen, …

Chọn giống cây trồng hay thực vật nói chung (plant breeding) là một lĩnhvực quan trọng của sản xuất nông nghiệp; mục đích của nó là tạo ra ngày càngnhiều giống cây trồng mới có năng suất cao, chất lượng tốt, chống chịu được cácđiều kiện bất thuận (như sâu bệnh, hạn, úng, nóng, rét ) Về thực chất, đó là sựtiến hoá của thực vật do con người điều khiển, được hình thành từ trong thựctiễn trồng trọt qua hàng ngàn năm kể từ khi con người bắt đầu mò mẫm "thuầnhoá" cây trồng dựa theo kinh nghiệm Cùng với sự phát triển của khoa học và kỹthuật, đặc biệt là sự phát triển của di truyền học trong suốt 100 năm nay, côngtác chọn tạo giống cây trồng đã xây dựng được một nền tảng khoa học vữngchắc và không ngừng được hoàn thiện Nhờ đó đã tạo ra hàng loạt các giống câytrồng mới, nhất là các giống ngũ cốc, góp phần xoá đói giảm nghèo mang lạicuộc sống ấm no và cải thiện sức khoẻ cho con người.

I TỔNG QUAN VỀ GIỐNG CÂY TRỒNG

1 Định nghĩa về giống cây trồng

Giống là một nhóm cây trồng, có đặc điểm kinh tế, sinh học và các tínhtrạng hình thái giống nhau, cho năng suất cao, chất lượng tốt ở các vùng sinhthái khác nhau và điều kiện kỹ thuật phù hợp

Giống (Varieties, Cultivar) do một nhóm thực vật hợp thành nên có một

nguồn gốc chung từ một cá thể hay một số cá thể có đặc tính, tính trạng giốngnhau

Giống cây trồng là một quần thể thực vật có giá trị sử dụng bởi các tínhtrạng về đặc điểm sinh lý, về sinh trưởng phát dục, về canh tác của các cá thểgiống nhau trong quần thể, đảm bảo tính đồng đều, tính ổn định của giống

Từ khái niệm trên đi đến định nghĩa về giống cây trồng như sau: Giốngcây trồng là một quần thể cây trồng do con người sáng tạo ra nhằm thỏa mãnnhững yêu cầu nào đó của mình Nhóm cây trồng đó phải có tính di truyền vàbiến dị nhất định, phải có những đặc trưng về đặc tính sinh vật, về hình thái, vềkinh tế nhất định, có tính di truyền ổn định và được thực tiễn kiểm chứng có khảnăng cho năng suất cao, phẩm chất tốt trong những khu vực và điều kiện canhtác nhất định

Theo Pháp lệnh giống cây trồng số 03/2004/ L-CTN ngày 04/04/2004định nghĩa Giống cây trồng là một quần thể cây trồng đồng nhất về hình thái và

có giá trị kinh tế nhất định, nhận biết được bằng sự biểu hiện của các đặc tính dokiểu gen quy định và phân biệt được với bất kỳ quần thể cây trồng nào khácthông qua sự biểu hiện ít nhất một đặc tính và di truyền cho đời sau

Theo FAO thì giống phải hội đủ ba điều kiện:

- Đặc thù riêng biệt (Distinct)

- Đồng nhất về: Hình thái, sinh học, kinh tế (Homogenous)

- Ổn định (Stable)

* Từ khái niệm về giống như vậy, ta có thể hình dung giống cây trồng(crop variety; cultivar) là một nhóm các thực vật có các đặc trưng sau:

- Có nguồn gốc chung với các tính trạng hay đặc điểm giống nhau

- Mang tính di truyền đồng nhất (nghĩa là có sự ổn định, ít phân ly) về cáctính trạng hình thái và một số đặc tính nông sinh học khác như: chiều cao cây,thời gian sinh trưởng, khả năng chống chịu sâu bệnh v.v

- Mang tính khu vực hoá, nghĩa là tất cả các đặc điểm hay tính trạng củagiống được biểu hiện trong những điều kiện ngoại cảnh (như đất đai, khí hậu,các biện pháp kỹ thuật sản xuất) nhất định Từ đây xuất hiện các khái niệm vềgiống chịu hạn, chịu mặn, chịu úng v.v

- Do con người tạo ra nhằm thoả mãn một hoặc một vài nhu cầu và thịhiếu nhất định, như: năng suất cao, chất lượng tốt, giá trị thương phẩm cao

* Khi đề cập đến khái niệm "giống", thông thường người ta muốn đề cậptới các tính trạng và đặc tính của giống

- Tính trạng (characters): Đó là những đặc điểm về hình thái và cấu tạoquan sát được của các cây trong cùng một giống giúp ta phân biệt với các giốngkhác trong cùng một loài Để nhận biết các tính trạng như vậy, thường người tachia ra các nhóm sau đây:

+ Các đặc điểm về hình thái, như: chiều cao cây, chiều dài bông, số hạttrên bông, số bông trên khóm, kích thước lá v.v Nói chung đây là những tínhtrạng số lượng (quantitative characters), nghĩa là có thể "cân-đongđo-đếm"được; chúng thường do nhiều gene kiểm soát và chịu ảnh hưởng lớn của điềukiện môi trường

+ Các đặc điểm về cấu tạo, như: độ dày của bông, màu sắc và hình dạngcủa thân, lá, hoa và quả Đây là những tính trạng chất lượng (qualitativecharacters), thường do một gene kiểm soát, ít chịu tác động của điều kiện ngoạicảnh và có thể quan sát được bằng mắt thường

+ Diễn biến của một quá trình sinh học, như: hô hấp, quang hợp, hoặcphản ứng quang chu kỳ v.v thường tỏ ra rất mẫn cảm với các điều kiện sinh tháicủa môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, độ dài ngày Tất cả các yếu tố này có thểtác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự hoạt động của các enzyme kiểm soát một

quá trình sinh học cụ thể, và qua đó có thể ảnh hưởng đến các tính trạng chấtlượng

- Đặc tính (characteristics): Đó là những tính chất hay đặc điểm sinh lý,sinh hoá đặc trưng có liên quan đến các đặc tính chống chịu của thực vật và đặcđiểm kỹ thuật canh tác

2 Định nghĩa về dòng

Dòng là tập hợp các cá thể có quan hệ họ hàng thân tộc với nhau

Dòng thuần là tập hợp các cá thể đồng hợp tử được sinh ra từ những thế

hệ nối tiếp nhau của các cá thể đồng hợp tử, giống hệt nhau về mặt di truyền vàhình thái (hình dạng, màu sắc )

Ví dụ: Ở thực vật, dòng thuần có thể tạo ra được bằng cách cho tự thụphấn liên tiếp nhiều thế hệ trên cùng một quần thể Tính dị hợp sẽ giảm 1/2 saumỗi thế hệ tự thụ

Ở động vật khi thuần hóa một giống dễ dẫn đến hiện tượng đồng huyết,làm giảm sức sống của giống

Tính trạng là những đặc điểm về hình thái, cấu tạo của thực vật Ví dụ:chiều cao cây, số là, số đốt, màu sắc hoa, quả, hạt …

Đặc tính là các đặc điểm về sinh lý, sinh hóa và các đặc điểm kỹ thuật củathực vật Ví dụ: tính chịu phèn, mặn, chịu hạn …

3 Vai trò của giống cây trồng

Giống tốt có tác dụng làm tăng năng suất

Giống tốt có thể thích hợp với cơ giới hóa, giảm bớt nặng nhọc cho ngườilao động, tăng năng suất lao động

Giống tốt có thể tăng vụ, luân canh, bố trí cây trồng hợp lý nhằm sử dụngruộng đất có hiệu quả nhất

Giống tốt có thể tăng phẩm chất không ngừng

Giống tốt tạo điều kiện phòng chống thiên tai, sâu bệnh có hiệu quả ít tốnkém

4 Đặc điểm của giống, tiêu chuẩn giống tốt

Những đặc điểm của giống:

- Giống là sản phẩm sáng tạo của con người bằng lao động liên tục, lâudài và được hình thành nhờ chọn lọc nhân tạo

- Giống có tính đồng nhất về di truyền, được biểu thị ra ngoài bởi các tínhtrạng hình thái, nông học, kinh tế…

- Giống là đơn vị phân loại thực vật tương đương với thứ, biến chủng.Cây dại không có giống mà chỉ có dạng (Forma)

- Giống có tính khu vực

- Giống có tính thời gian

- Tính tương đối về sự biểu hiện các tính trạng

Tiêu chuẩn giống tốt:

- Năng suất cao và ổn định

- Phù hợp với phương thức canh tác của vùng

5 Phân loại giống

Có 2 cách phân loại giống cây trồng:

+ Phân loại theo nguồn gốc

+ Phân loại theo phương thức chọn tạo

* Phân loại theo nguồn gốc

Giống địa phương (Giống bản địa): Là những giống cây trồng được hìnhthành trong do quá trình chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo ở điều kiện tựnhiên của địa phương dưới tác dụng của tự nhiên lâu dài và các biện pháp chọnlọc nhân tạo đơn giản Đặc điểm của giống địa phươnglà rất thích nghi với điềukiện tự nhiên và điều kiện sản xuất ở địa phương Cho nên ở khu vực phân bốcủa nó năng suất hàng năm rất ổn định

Các giống địa phương không những có vị trí quan trọng trong sản xuất màcòn dùng làm vật liệu khởi đầu để tạo ra các giống mới tốt hơn

Ví dụ: Giống xoài cát hòa lộc (Tiền Giang), giống nhãn xuồng cơm vàng(Bà Rịa – Vũng Tàu), giống bưởi da xanh (Bến Tre)

Giống nhân tạo: Do các cơ quan nghiên cứu tạo ra bằng các phương phápchọn tạo khoa học Chúng có độ đồng đều cao về các tính trạng hình thái và cácđặc tính sinh vật, kinh tế Tuỳ theo phương thức chọn tạo phân ra các loại giống.

- Giống quần thể: thu được bằng cách chọn lọc hàng loạt (chọn lọc hỗnhợp) các cây giao phấn hoặc tự thụ

- Giống dòng: là giống được tạo bằng phương pháp chọn lọc cá thể ở cáccây tự thụ phấn Đây là giống thế hệ sinh sản từ một cây

- Giống lai : giống tạo ra bằng cách lai giống và chọn lọc từ quần thể lai

- Giống dòng vô tính

- Giống đa bội - Giống đột biến

Giống du nhập: Là các giống được du nhập từ nước ngoài Các giống này

có năng suất cao, phẩm chất khá, thích hợp với điều kiện canh tác hiện đại.Nhưng khả năng thích ứng chưa rõ, vì thế cần phải qua quá trình khảo nghiệm,chọn lọc

* Phân loại theo phương thức chọn tạo: Giống mới là những giống đượctạo ra bằng phương pháp khoa học do các cơ quan chọn tạo giống của nhà nướchoặc tư nhân thực hiện

Đặc điểm:

- Thích hợp với điều kiện canh tác hiện nay

- Khá thích nghi với điều kiện địa phương

- Có năng suất cao, phẩm chất tốt nhưng tính di truyền chưa ổn định Giống quần thể, giống dòng, giống lai, giống dòng vô tính, giống đa bội,giống đột biến, giống chuyển gen, …

II KHÁI NIỆM VỀ CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG

Chọn tạo giống cây trồng (Plant breeding) theo tiếng la tinh “Selectio” cónghĩa là “chọn lọc” hay “tuyển lựa”; là môn khoa học, cũng là môn nghệ thuật

về sự thay đổi, cải thiện tính di truyền của cây trồng Nghệ thuật là dựa vào quansát có thể nhìn nhận sự khác biệt có giá trị kinh tế giữa các cá thể trong cùngmột loài trong mắt nhà chọn giống, khi đó kiểu hình cây là thước đo giá trị.Ngày nay tính nghệ thuật giảm đi còn tính khoa học tăng bởi vì nhà chọn giống

có thể lập quy hoạch cho một chương trình chọn giống có hiệu quả thông qua: ditruyền, dữ liệu khoa học, các quá trình sinh lý thực vật… Nói một cách khácchọn tạo giống cây trồng là “chọn lọc” từ các biến dị tự nhiên và biến dị nhântạo có trong quần thể để tạo ra giống mới

1 Quan hệ giữa chọn giống và các khoa học

- Quan hệ giữa di truyền, chọn giống và nhân giống

+ Di truyền học là cơ sở lý luận của chọn giống và nhân giống

+ Di truyền học đề ra cơ sở của các phương pháp chọn giống

+ Chọn giống là cơ sở thực tiễn bổ sung, xây dựng lý luận di truyền

- Chọn giống hiện đại là một khoa học có tính tổng hợp, có liên quan đếnthực vật học, di truyền học, sinh lý thực vật, nông học, sinh thái học, côn trùnghọc, bệnh cây, phôi học, mô học, tế bào học …)

- Chọn giống cây trồng thúc đẩy sự tiến hoá của giới tự nhiên

2 Lược sử phát triển của khoa học chọn giống cây trồng

Lịch sử chọn giống cây trồng có thể chia thành 4 giai đoạn:

+ Chọn giống dân gian (nguyên thủy, cổ đại đến thế kỷ XVII)

+ Chọn giống có phương pháp thế kỷ XVIII, XIX

+ Chọn giống khoa học nửa đầu thế kỷ XX

+ Chọn giống hiện đại (nửa cuối thế kỷ XX đến nay)

2.1 Chọn giống dân gian

- Chọn giống dựa trên cơ sở ngoại quan, cảm tính (cảm quan)

- Nhiều dạng cây trồng, vật nuôi có đặc tính tốt được giữ lại để làm giống.2.2 Chọn giống có phương pháp thế kỷ XVIII, XIX

* Trước những năm 60 của thế kỷ XVIII việc chọn giống dựa trên cơ sởcác phương pháp lai và chọn lọc giản đơn

- Thomas Fairchild (1717) đã nhận được cây lai đầu tiên

- Joseph Kolreuter (1760 đến 1766) đã lai các giống thuốc lá

- Knight (1759 – 1834) người đầu tiên đưa ra các giống hoa quả bằng laihữu tính

- Le Conteur và Shirief (1840) chọn lọc cá thể ở cây cốc

* Học thuyết tiến hoá của Ch Darwin (1859), học thuyết chọn lọc nhântạo (1868) đã có tác động sâu sắc trong công tác chọn giống trong thời kỳ này.Những nhà chọn giống tiêu biểu nhất trong giai đoạn này:

- Vilmorin (1856), người Pháp đã nâng cao hàm lượng đường của củ cảiđường, tạo ra hàng loạt giống lúa mì Dobanton (Pháp) đã chọn được giống cừulông mịn

- Lochow (1901), người Đức đã chọn được giống lúa mì Petcut năng suấtcao, được phổ biến rộng ở nhiều nước

- I Nilsson (1901), người Thụy Điển với các giống yến mạch, lúa mì mùađông

- Mitsurin (Nga) đã tạo được nhiều giống quả phẩm chất tốt, giữ lâu

- Burbank (Mỹ) đã tạo được các giống khoai tây sớm, mận không hạt,xương rồng và bông giấy không gai

- Van Mons (Bỉ) đã chọn ra nhiều giống lê mới

- A T Bolotov (Nga) đã chọn được nhiều giống táo mới

2.3 Chọn giống khoa học nửa đầu thế kỷ XX

Những công trình nghiên cứu của Mendel, Morgan, De Vries đã xây dựng

cơ sở cho chọn giống khoa học Thuyết dòng thuần của W.L.Johannsen (1903),thuyết biến dị tương đồng của N.I.Vavilov (1920) đã tác động sâu sắc trongcông tác chọn giống

Những nhà chọn giống tiêu biểu nhất trong giai đoạn này:

- G Nilsson-Ehle (1909) với các giống đại mạch, yến mạch

- D L Rudzinski với các giống lanh, lúa mì mùa thu

- X.I.Zegalov (1881 – 1927) nhà bác học uyên bác về chọn giống vớicuốn sách gối đầu giường cho một vài thế hệ các nhà chọn giống Liên Xô cũ

“Kiến thức về chọn giống cây nông nghiệp (1923, 1926, 1930)

- P.P.Lukianenko: Các giống lúa mì mùa thu có năng suất cao 4,2 – 4,8tấn/ha như Bezocta 4, Chín sớm 3-b, Bezocta 1

2.4 Chọn giống hiện đại (nửa cuối thế kỷ XX đến nay) Việc chọn giốngdựa trên cơ sở của di truyền học hiện đại

- Khám phá về chất liệu di truyền axid nucleic của Avery, Macleod vàCarty (1944), về dãy xoắn kép ADN của Watson và Crick (1953) (giải thưởngNobel 1962)

- Gần đây năm (1985) K.B Mullis đã thử nghiệm thành công PCR(Polymerase Chain Reaction) bằng Klenow Fragment vv…

- “Cuộc cách mạng xanh” đã mở đầu với các giống lúa mì thấp cây, cácgiống lúa thần nông IR5, IR8 thân lùn, chống đổ, năng suất cao vượt bậc

- Từ 1983 đến nay người ta đã chuyển gen kháng sâu, kháng thuốc cỏ chotrên 20 loài cây như: bắp, lúa khoai tây, đậu nành, cà chua, cải dầu, đu đủ, bầu

bí, hướng dương, chuối, cà phê, chè, nho, thuốc lá, cây trồng rừng, cỏ phủ đất vàbông vải Hiện nay, cây trồng biến đổi gen đã được gieo trồng trên diện tích khálớn ở nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Trung Quốc

III Cây trồng biến đổi gen

Cây trồng biến đổi gen(Genetically Modified Crop -GMC)là loại câytrồng được lai tạo ra bằng cách sử dụng các kỹ thuật của công nghệ sinh họchiện đại, hay còn gọi là kỹ thuật di truyền, công nghệ gene hay công nghệ DNAtái tổ hợp, để chuyển một hoặc một số gene chọn lọc để tạo ra cây trồng mangtính trạng mong muốn

Về mặt bản chất, các giống lai từ trước đến nay (hay còn gọi là giốngtruyền thống) đều là kết quả của quá trình cải biến di truyền Điểm khác biệt duynhất giữa giống lai truyền thống và giống chuyển gen là gen (DNA) được chọnlọc một cách chính xác dựa trên khoa học công nghệ hiện đại và chuyển vàogiống cây trồng để đem lại một tính trạng mong muốn một cách có kiểm soát

3.1 Tổng quan

Cây trồng chuyển gen là sự biến đổi vật chất di truyền, tiếp nhận thêmnhững gen mới, kết quả là xuất hiện những tính trạng mới dưới sự tác động củamôi trường Quá trình biến đổi vật chất di truyền (thêm gen mới) nhờ vào côngnghệ chuyển gen, nếu so sánh quá trình này với quá trình đột biến trong tự nhiên

về bản chất thì hai quá trình là một, bởi vì quá trình tiến hóa của sinh vật đềuphải trông chờ vào quá trình biến đổi vật chất di truyền, trong đó đột biến đóngvai trò quan trọng Dưới tác động của các nhân tố gây đột biến, vật chất ditruyền được biến đổi theo hai hướng: thêm đoạn hay bớt đoạn Như vậy, quátrình thêm đoạn nhờ chuyển gen cũng tương tự như quá trình thêm đoạn ADNtrong đột biến tự nhiên

Tuy nhiên, hai quá trình này có nhiều điểm khác nhau: Nếu quá trình chọnlọc tự nhiên chỉ giữ lại những biến dị có lợi cho quá trình tiến hóa của loài, thìtrong kỹ thuật chuyển gen cây trồng chỉ giữ lại tính trạng đã được định hướngtrước, có lợi về kinh tế, không đóng góp gì cho quá trình tiến hóa của loài Đây

là điểm khác biệt căn bản nhất giữa đột biến tự nhiên và "đột biến" nhờ kỹ thuậtchuyển gen Sản phẩm của đột biến tự nhiên là tính trạng có lợi cho tiến hóa,còn sản phẩm của quá trình chuyển gen là các tính trạng có lợi cho con người,đây là ưu điểm nổi bật nhất của công nghệ chuyển gen

Quá trình hình thành tính trạng mới trong tự nhiên phải diễn ra hàng trămnăm, triệu năm, thậm chí hàng tỷ năm, còn quá trình hình thành tính trạng mớinhờ công nghệ chuyển gen chỉ diễn ra trong vài năm, nhờ tính ưu việt này màchúng ta có thể rút ngắn được quá trình chọn tạo giống cây trồng mới, bổ sungcác tính trạng ưu việt mới, đáp ứng tốt nhất mục tiêu chọn giống và phục vụ sảnxuất.

3.2 Lịch sử

Cây trồng chuyển đổi gen được tạo ra lần đầu tiên vào năm 1982, bằngviệc sử dụng loại cây thuốc lá chống kháng sinh Những khu vực trồng thửnghiệm cây thuốc lá có khả năng chống thuốc diệt cỏ đầu tiên là ở Pháp và Hoa

Kỳ vào năm 1986

Năm 1987, Plant Genetic Systems (Ghent, Bỉ), được thành lập bởi MarcVan Montagu and Jeff Schell, là công ty đầu tiên phát triển cây trồng thiết kếgen di truyền (thuốc lá) có khả năng chống chịu côn trùng bằng cách biểu hiệncác gen mã hóa protein diệt côn trùng từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis(Bt).Trung Quốc là quốc gia đầu tiên chấp thuận cây công nghiệp chuyển đổigen với cây thuốc lá kháng vi rút được giới thiệu lần đầu vào năm 1992, nhưngrút khỏi thị trường Trung Quốc vào năm 1997

Cây trồng biến đổi gen đầu tiên được phê chuẩn bán ở Mỹ vào năm 1994

là cà chua FlavrSavr, có thời gian bảo quản lâu hơn các loại cà chua thôngthường Năm 1994, Liên minh châu Âu phê chuẩn cây thuốc lá có khả năngchống thuốc diệt cỏ bromoxynil Năm 1995, khoai tây Bt đã được phê duyệt antoàn bởi Cơ quan Bảo vệ môi trường, trở thành cây nông sản kháng sâu đầu tiênđược phê duyệt tại Hoa Kỳ

Các loại cây trồng chuyển đổi gen sau đó cũng được chấp thuận giao dịch

ở Mỹ vào năm 1995: cải dầu với thành phần dầu chuyển đổi (Calgene), ngô bắp

có vi khuẩn Bacillus thuringiensis (Bt) (Ciba-Geigy), bông kháng thuốc diệt cỏbromoxynil (Calgene), bông kháng côn trùng (Monsanto), đậu nành kháng thuốcdiệt cỏ glyphosate (Monsanto), bí kháng vi rút (Asgrow), và cà chua chín chậm(DNAP, Zeneca / Peto, và Monsanto) Tính đến giữa năm 1996 đã có tổng cộng

35 phê chuẩn được cấp cho 8 loại cây công nghiệp chuyển đổi gen và 1 loại hoacẩm chướng, với 8 điểm khác nhau tại 6 quốc gia cộng thêm EU

3.2 Một số phương pháp chuyển gen ở thực vật

Có hai hình thức chuyển gen chủ yếu là chuyển gen trực tiếp và chuyểngen gián tiếp

3.2.1 Các phương pháp chuyển gen gián tiếp

3.2.1.1 Chuyển gen gián tiếp nhờ Agrobacterium tumefaciens

* Nguyên lý chung

Sử dụng vi sinh vật đất Agrobacterium (là vi khuẩn Gram âm) để chuyển

gen ở thực vật là phương pháp hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay nhờ vào khảnăng gắn gen ngoại lai vào hệ gen thực vật một cách chính xác và ổn định

Sự chuyển gen ở thực vật dùng A tumefaciens dựa trên nguyên lý như

hình sau

Hình1 Agrobacterium mang plasmid gây khối u ở thực vật (tumour inducing plasmid- Ti plasmid), plasmid này chứa các gen vir và vùng gen cần chuyển (T-DNA) Gen quan tâm được chèn vào vùng T-DNA Các tế bào tổn thương thực vật tiết ra hợp chất bảo vệ, hợp chất này kích thích sự biểu hiện gen vir ở Agrobacterium Vir protein tạo ra T-strand từ vùng T-DNA trên Ti- plasmid Sau đó vi khuẩn gắn vào tế bào thực vật, T-strand và một số protein vir chuyển vào tế bào thực vật qua kênh vận chuyển Trong tế bào thực vật, các protein vir tương tác với T-strand tạo ra phức hệ (T- complex) Phức hệ này vào nhân tế bào thực vật, T-DNA chèn vào bộ gen thực vật và biểu hiện gen quan tâm.

Hình 2 Vi khuẩn A.tumefaciens

Cụ thể như sau:

Phương pháp này sử dụng Ti plasmid của A.tumefaciens hoặc Ti plasmid

của Arhizogenes làm vectơ đưa ADN vào tế bào Ti plamid gồm hai thành phần:T- DNA và vùng Vir

T- DNA có thể chuyển từ Agrobacterium vào tế bào thực vật, chính nhờ

vậy mà có thể gắn gen muốn chuyển vào T- DNA để đưa vào tế bào T- DNAchứa gen điều hoà sinh trưởng cục bộ (auxin, cytokinie), gen tổng hợp các chấtOpine và gen gây khối u Đoạn cuối có 25 cặp bazơ lặp lại, bất kì đoạn nàotrong vùng này cũng có thể xâm nhập vào phân tử ADN thực vật Trong plasmid

vị trí của T- DNA được giới hạn bởi bờ trái và bờ phải

Vùng Vir phụ trách khả năng lây nhiễm Chúng gồm 6 nhóm từ VirA đếnVirG và VirE có tác dụng làm tăng tần số biến nạp

Để thiết kế vector dùng trong biến nạp: trước hết là cắt bộ gen điều hòasinh trưởng cục bộ, sau đó gắn thêm gen chỉ thị (kháng thuốc hoặc chất diệt cỏ)cùng với đoạn điều khiển phù hợp để chọn các thể biến nạp và cuối cùng gắngen cần biến nạp

* Các plasmid của Agrobacterium được sử dụng trong công nghệ gen

thực vật gồm có 2 loại: vector liên hợp và vector nhị thể

- Vector liên hợp (Cointegrated vector)

Vector liên hợp dựa trên sự tái tổ hợp của 2 plasmid Một vector liên hợpgồm có: vị trí để ghép các gen quan tâm, thường vị trí này có nguồn gốc từ

plasmid của vi khuẩn E.coli Gen chỉ thị kháng sinh giúp cho chọn lọc trong vi khuẩn E.coli, Agrobacterium và gen chọn lọc hoạt động được ở tế bào thực vật.

Bộ gen

của vi

Ti plasmid

Như vậy vector liên hợp được hình thành từ một plasmid mang trình tự ADNmong muốn và plasmid kia có chứa vùng vir gen và vùng bờ lặp lại của T-ADN.Sau tái tổ hợp, một vector liên hợp được tạo ra và dùng cho chuyển gen vào thựcvật.

- Vector nhị thể (Binary vector)

Vector nhị thể là hệ thống dùng 2 plasmid riêng biệt: một cung cấp ADN đã mất độc tính gây khối u, plasmid kia là Ti plasmid có khả năng thâmnhập vào tế bào thực vật (mang các gen vir) Plasmid thứ nhất mang gen chọnlọc ở thực vật và gen sẽ được ghép vào bộ gen thực vật Khi plasmid này được

T-đưa vào chủng Agrobacterium có chứa Ti plasmid, những sản phẩm mang gen

vir có thể đưa T-AND vào tế bào thực vật, mặc dù T-ADN nằm trên phân tửADN khác

* Sử dụng Agrobacterium để chuyển gen đã thu được nhiều kết quả, đặc

biệt là chuyển gen vào lúa mì và các cây lương thực quan trọng Nhiều giống lúachuyển gen có giá trị đặc biệt như giống lúa Golden rice có chứa hàm lượngvitamin A cao gấp nhiều lần so với lúa thông thường Nhờ giống lúa này đã giảiquyết được vấn đề hết sức khó khăn về sự thiếu vitamin A ở các nước đang pháttriển, đặc biệt là ở Châu Phi

* Ưu điểm

- Gen ít bị đào thải

- Số lượng bản sao ít hơn Do đó tránh được hiện tượng ức chế lẫn nhau

và câm lặng lẫn nhau

- Tồn tại bền vững trong cơ thể thực vật do sự phụ thuộc chặt chẽ vào hệthống protein Vir, còn ở những phương pháp khác gen mục tiêu được tái tổ hợpchuyên biệt nhờ hai trình tự IS hai đầu nhưng dễ dàng bị tách ra ngay sau đó

* Nhược điểm

- Có phổ tấn công giới hạn

- Gây khối u cho cả cây khỏa tự và cây hai lá mầm nhưng lại không gâykhối u cho cây một lá mầm (do cây một lá mầm là cây thuộc nhóm tiến hoánhất, nó tích lũy nhiều cơ chế kháng bệnh hơn cây hai lá mầm như khi bị thươngcác tế bào có xu hướng hóa gỗ chứ không phân chia mạnh để tái tạo hoặc tiếphợp chất phenol như cây hai lá mầm )

3.1.2 Chuyển gen gián tiếp nhờ virus

Ngoài việc sử dụng vi khuẩn, người ta còn sử dụng virus làm vectorchuyển gen vào cây trồng Chuyển gen nhờ virus có thể thuận lợi do virus dễ

xâm nhập và lây lan trong cơ thể thực vật và động vật đồng thời virus có thểmang đoạn ADN lớn hơn nhiều so với khả năng của plasmid Tuy nhiên, viruslàm vector chuyển gen cần phải có các tiêu chuẩn sau:

- Hệ gen của virus phải là ADN

- Virus có khả năng di chuyển từ tế bào này sang tế bào khác qua các lỗ ởvách tế bào

- Có khả năng mang được đoạn ADN (gen) mới, sau đó chuyển gen nàyvào tế bào thực vật

- Có phổ ký chủ rộng (trên nhiều loài cây)

- Không gây tác hại đáng kể cho thực vật

Đối chiếu các tiêu chuẩn trên, hiện nay có hai loại virus được sử dụng làmvector chuyển gen là caulimovirus và geminivirus Tuy nhiên, việc sử dụngvirus để chuyển gen ở thực vật còn ít được sử dụng vì ADN virus khó ghép nốivới hệ gen của thực vật

3.2 Các phương pháp chuyển gen trực tiếp

3.2.1 Chuyển gen bằng súng bắn gen (gene gun)

hơi sẽ đẩy viên đạn đi với tốc độ cao Tới đầu nòng súng, viên đạn lớn sẽ bị cảnlại bởi một lưới thép mịn, còn các viên đạn nhỏ (vi đạn) vẫn tiếp tục di chuyểnvới tốc độ lớn tới 1300 m/giây đến đối tượng bắn rồi rồi xuyên vào tế bào Sau

khi bắn, tách các mô, tế bào và nuôi cấy invitro để tái sinh cây Các gen cần

chuyển có thể tái tổ hợp vào hệ gen của cây, từ đó tạo thành cây chuyển gen.Chỉ có một tỷ lệ nào đó của tế bào mang gen chuyển do vậy cần phải chọn lọc.Người ta thường dùng khí nén là helium áp lực cao để bắn gen

Hình 4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của súng bắn gen

* Ưu điểm

- Thao tác dễ dàng, bắn một lần được nhiều tế bào

- Nguyên liệu để bắn đa dạng (hạt phấn, tế bào nuôi cấy, tế bào mô hóa và

mô phân sinh)

* Nhược điểm

Tần số biến nạp ổn định thấp vì thế theo Potrykus thì ưu việt của phươngpháp này là nghiên cứu các gen tạm thời Tuy nhiên, những năm gần đâyphương pháp này đã thành công trên lúa, mía, đu đủ, bông đã khẳng định tính ưuviệt của phương pháp này

3.2.2 Chuyển gen bằng xung điện (electroporation)

Dùng thiết bị xung điện tạo điện thế cao (200 – 400 V/cm) trong khoảngthời gian 4 - 5 phần nghìn giây Kết quả làm màng tế bào trần xuất hiện các lỗthủng tạm thời giúp cho plasmid có thể xâm nhập và gắn vào hệ gen của thựcvật Quá trình được thực hiện trong cuvett chuyên dụng Sau quá trình xungđiện, đem protoplast nuôi trong môi trường nuôi cấy thích hợp, môi trường chọn

lọc để tách các protoplast đã được biến nạp Tiếp theo là nuôi cấy invitro, tái

sinh cây và chọn lọc cây chuyển gen

* Đối với protoplast phương pháp xung điện đã có kết quả khích lệ nhưngchưa chứng minh chắc chắn cho sự biến nạp Hơn nữa, việc nuôi cấy protoplast

ở một số loài cây vẫn còn gặp khó khăn

3.2.3 Chuyển gen bằng vi tiêm (microinjection)

Phương pháp này sử dụng vi kim tiêm và kính hiển vi để đưa ADN những

tế bào nhất định, nhằm tạo ra các dòng biến nạp từ protoplast và cây biến nạpkhảm từ phôi phát triển từ hạt phấn

* Ưu điểm

- Có thể tối ưu lượng ADN đưa vào tế bào

- Quyết định được đưa ADN vào loại tế bào nào

- Có thể đưa một cách chính xác thậm chí vào tận nhân và có thể quan sátđược

- Các tế bào có cấu trúc nhỏ như hạt phấn và tế bào tiền phôi mặc dù hạnchế về số lượng cũng có thể tiêm chính xác

- Có thể nuôi riêng lẻ các tế bào vi tiêm và biến nạp được vào mọi giốngcây

* Nhược điểm

- Mỗi lần tiêm chỉ được một phát tiêm và chỉ với một tế bào

- Thao tác trong khi làm đòi hỏi độ chính xác cao

3.2.4 Chuyển gen nhờ kỹ thuật siêu âm