Luận án tiến sỹ: Chọn tạo và sử dụng các dòng bất dục đực gen nhân mẫn cảm môi trường trong chọn tạo giống lúa lai hai dòng ở Việt Nam

của loài tràm (Melaleuca cajuputi) 3 2.2.1. Đặc điểm hình thái 3 2.2.2. Đặc điểm phân bố và sinh thái 5 2.2.3. Sinh trưởng rừng Tràm 6 2.2.4. Công dụng 7

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

TRẦN VĂN QUANG

CHỌN TẠO VÀ SỬ DỤNG CÁC DÒNG BẤT DỤC ĐỰC GEN NHÂN MẪN CẢM MÔI TRỜNG TRONG TẠO

GIỐNG LÚA LAI HAI DÒNG Ở VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: DI TRUYỀN VÀ CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG

MÃ SỐ : 62.62.05.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS BÙI BÁ BỔNG

2 PGS.TS NGUYỄN THỊ TRÂM

HÀ NỘI, 2008

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án này, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của các

Đào tạo, PGS.TS Nguyễn Văn Hoan-Chủ nhiệm đề tài “Kết hợp kỹ thuật chọn

ưu thế lai, Viện Sinh học Nông nghiệp, các sinh viên thực tập tốt nghiệp từ khóa

Tác giả

Trần Văn Quang

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và đã được công bố một phần trong luận văn Thạc sĩ của tôi, các thông tin trích dẫn sử dụng trong luận án đều được ghi rõ nguồn gốc

MỘT SỐ CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN

A : Dòng bất dục đực tế bào chất

AFLP : Đa hình chiều dài đoạn phân cắt được nhân bội (Amplified fragment leghth polymophisms) B : Dòng duy trì tính bất dục đực tế bào chất

BSA : Phân tích thể phân ly theo nhóm (Bulked segregant analysis) CMS : Dòng bất dực đực tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterility)

EGMS : Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với môi trường (Environment- sensitive Genic Male Sterility)

R : Dòng phục hồi tính hữu dục (Restorer) RAPD : ADN khác biệt được nhân bội ngẫu nhiên (Randomly Amplified Polymorphic DNA) RFLPs : Đa hình chiều dài đoạn phân cắt giới hạn (Restriction Fragment Length Polymorphisms) TGMS : Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ (Thermo-sensitive Genic Male Sterility)

T(P)GMS : Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm nhiệt độ và chu kỳ chiếu sáng (Thermo and Photoperiodic-sensitive Genic Male Sterility) WA : Bất dục đực hoang dại (Wild Abortive)

WCG : Gen tương hợp rộng (Wide Compatibility Gene)

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC

CỦA ĐỀ TÀI

6

2.1 Lịch sử nghiên cứu phát triển lúa lai trên thế giới 6

2.3.5 Dòng phục hồi và gen tương hợp rộng 31

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

44

48

49

TH5-1

51

3.1 KẾT QUẢ PHÂN LẬP VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC DÒNG EGMS 55

3.1.2 Kết quả phân lập các dòng EGMS mới 55

3.1.4 Quá trình chuyển đổi tính dục của dòng P5S và T4S ở điều kiện tự nhiên trong vụ mùa

66

3.1.5 Quá trình chuyển đổi tính dục của dòng P5S và T4S ở điều kiện tự nhiên trong vụ xuân

69

3.1.8 Kết quả xác định thời kỳ mẫn cảm của các dòng EGMS 80

3.1.9 Đặc điểm của các dòng EGMS sau khi xử lý trong Phytotron

83

3.1.10 Đặc điểm của dòng P5S và T4S trong điều kiện hữu dục 84

3.1.11 Đặc điểm của dòng P5S và T4S trong điều kiện bất dục 87

3.2 KIỂM SOÁT DI TRUYỀN VÀ KHẢ NĂNG TỔ HỢP CỦA DÒNG P5S

90

3.2.1 Phân tích di truyền tính trạng bất dục đực mẫn cảm quang chu kỳ của dòng P5S

90

3.4 NHÂN DÒNG MẸ VÀ SẢN XUẤT HẠT LAI F1 TỔ HỢP TH5-1

3.2 Phân loại các cá thể PGMS và TGMS được phân lập 58

3.3 Thời gian qua các giai đoạn sinh trưởng của dòng P5S và T4S qua các thời vụ trong vụ mùa 2002

61

3.4 Một số đặc tính nông sinh học của dòng P5S và T4S qua các thời vụ trong vụ mùa 2002

62

3.5 Đặc điểm hình thái của dòng P5S và T4S mới phân lập 64

3.6 Quá trình chuyển đổi tính dục của dòng P5S và T4S trong vụ mùa 2002

2003

3.16 Một số đặc điểm của các dòng EGMS ở điều kiện bất dục

89

3.17 Tỷ lệ phấn hữu dục của con lai F1 và các dòng bố mẹ 90

3.18 Thống kê tần số phân ly thực nghiệm và lý thuyết về tỷlệ hữu dục : bất dục trong quần thể F2 của các tổ hợp lai

119

3.39 Thời gian qua các giai đoạn sinh trưởng của các dòng bố mẹ trong vụ xuân

122

3.40 Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng bố mẹ 123

3.41 ảnh hưởng của tỷ lệ hàng bố mẹ và lượng GA3 phun đến năng suất ruộng sản xuất F1 ở vụ xuân 2004

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ

3.1 ảnh hưởng của nhiệt độ và độ dài chiếu sỏng ở thời kỳmẫn cảm đến tỷ lệ hạt phấn hữu dục của cỏc dũng EGMS trong điều kiện vụ mựa ở Hà Nội

67

3.2 ảnh hưởng của nhiệt độ và độ dài chiếu sỏng ở thời kỳmẫn cảm đến tỷ lệ hạt phấn hữu dục của cỏc dũng EGMS

71

3.3 Diễn biến độ dài ngày tại ba vĩ độ khác nhau 79

10 Ruộng nhõn dũng P5S trong vụ xuõn 2007 120

11 Thớ nghiệm mật độ và phõn bún cho ruộng nhõn dũng P5S

120

12 Ruộng sản xuất thử hạt lai F1 tổ hợp lai TH5-1 131

13 Ruộng sản xuất hạt lai F1 tổ hợp lai TH5-1 sau thu hoạch dũng bố

131

MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu chọn tạo các giống lúa lai của Việt Nam là một đòi hỏi tất yếu trong những năm gần đây và tương lai vì diện tích trồng lúa lai của nước ta ngày một tăng Năm 1991 chỉ có 100 ha cấy thử đến năm 2005 diện tích trồng lúa lai đạt mức 615.000 ha, năng suất lúa lai đạt bình quân 63 tạ/ha Đặc biệt là lúa lai hai dòng, diện tích trồng tăng khá nhanh, năm 1996 mới đưa vào trồng thử nghiệm nhưng đến năm 2005 diện tích đã đạt 130.000 ha chiếm gần 1/5 diện tích lúa lai

Phần lớn các tổ hợp lai hai dòng đang trồng phổ biến tại Việt Nam có năng suất không cao hơn các tổ hợp lúa lai ba dòng Công nghệ nhân dòng bốmẹ và sản xuất hạt giống lúa lai F1 của các tổ hợp này gặp nhiều khó khăn vềđộ thuần, độ ổn định bất dục và khả năng nhận phấn ngoài của các dòng mẹ Đây là những lý do hạn chế việc mở rộng diện tích trồng lúa lai hai dòng ởViệt Nam

Muốn mở rộng diện tích lúa lai hai dòng ở Việt Nam cần phải chủ động tạo ra những tổ hợp lai có năng suất cao, chất lượng tốt thích hợp với điều kiện khí hậu, đất đai và trình độ thâm canh Khi có tổ hợp lai thì tất yếu sẽhoàn toàn chủ động về nguồn giống bố mẹ, qui trình sản xuất hạt lai F1 và sẽcó cơ hội hạ giá thành cũng như giá bán cho nông dân Để thực hiện được mục tiêu này cần phải chọn tạo được các dòng mẹ bất dục ổn định, độ thuần đạt tiêu chuẩn nguyên chủng, dễ sản xuất hạt lai và con lai F1 có năng suất tương đương với các tổ hợp lúa lai đang trồng phổ biến

Dòng mẹ của lúa lai hai dòng là dòng bất dục đực gen nhân (Dòng bất dục đực di truyền nhân) mẫn cảm với môi trường Hiện nay người ta đã tìm ra hai loại dòng bất dục đó là: (1) - Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ (TGMS) và (2) - Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với quang chu kỳ (PGMS) Cả hai loại dòng này đều có thể sử dụng được ở Việt Nam Tuy

nhiên khi sử dụng dòng TGMS có một nhược điểm là nhiệt độ thường không ổn định trong mỗi vụ sản xuất làm cho nó xuất hiện phấn hữu dục trong vụsản xuất hạt lai, dẫn đến độ thuần lô hạt F1 giảm kéo theo năng suất lúa thương phẩm giảm

Sử dụng dòng PGMS có lợi thế đặc biệt là quang chu kỳ luôn ổn định theo vĩ độ địa lý, theo mùa và địa hình của mỗi địa phương, độ ổn định chính xác đến hàng phút cho mỗi ngày Vì vậy nếu tìm được dòng PGMS thích hợp cho một vùng nào đó, người ta hoàn toàn chủ động điều kiển lịch gieo cấy đểcho dòng bất dục hay hữu dục một cách chính xác vào những thời điểm cần thiết để đạt năng suất mong muốn Tuy nhiên các dòng PGMS hiện có của Trung Quốc không phù hợp với điều kiện Việt Nam do có ngưỡng chuyển hoá tính dục cao từ 13 giờ đến 13 giờ 45 phút trong khi đó ngày dài nhất của Việt Nam là 13 giờ 36 phút (24 vĩ độ Bắc)

Theo số liệu lưu trữ của Tổng cục Khí tượng thủy văn (phụ lục) tại 21 vĩ độ Bắc (Hà Nội) từ ngày 12/12-1/1 có độ dài ngày (pha sáng) ngắn nhất trong năm, thời gian ban ngày dài 10 giờ 52 phút Từ ngày 2/1-22/3 ngày dài dần ra do trục quay của trái đất nghiêng về Bắc bán cầu một góc 23,50

, ngày 21/3 thì ngày và đêm dài tương đương nhau, sau đó ngày dài dần ra và đạt cực đại là 13 giờ 24 phút, thời gian đạt cực đại kéo dài 15 ngày (ngày 15/6-30/6) Từ ngày 1/7-22/9 ngày ngắn dần lại vì trục quay của trái đất lúc này lại nghiêng về phía Nam bán cầu Ngày 23/9, đêm và ngày dài tương đương nhau, sau đó ngày ngắn dần đến 12/12

Tại các vĩ độ khác của Việt Nam (từ 8-24 vĩ độ Bắc) quy luật diễn biến độ dài ngày tương tự như Hà Nội vì cùng nằm ở vùng giữa xích đạo và chí tuyến Bắc, chỉ khác nhau về số giờ sáng - tối trong ngày Nghĩa là tại một vĩđộ nhất định, quang chu kỳ diễn ra từng ngày của năm sau hoàn toàn không thay đổi so với năm trước (Trần Đức Hạnh, 1997; Đoàn Văn Điếm, 2005) [8], [14] Vấn đề đặt ra là làm thế nào để khai thác lợi thế tự nhiên này? Nếu ta

đoạn bất dục trong điều kiện tự nhiên dài hơn 30 ngày (Yuan L.P., 1995) [149] và phù hợp với cơ cấu mùa vụ của Việt Nam thì dòng bất dục đó phải có “ngưỡng” chuyển đổi tính dục vào khoảng 12 giờ 15 phút đến 12 giờ 30 phút Vì thế việc chọn được dòng PGMS có ngưỡng chuyển đổi tính dục phù hợp với điều kiện Việt Nam, bên cạnh đó tìm thêm nhiều dòng TGMS mới khắc phục nhược điểm của các dòng đã có là yêu cầu cấp thiết

Chính vì những lý do nêu trên chúng tôi thực hiện đề tài: “Chọn tạo và

2 MỤC ĐÍCH VÀ YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI

2.1 Mục đích

+ Chọn tạo được các dòng EGMS mới có đặc điểm nông sinh học tốt, tính bất dục ổn định và ngưỡng chuyển đổi tính dục phù hợp với điều kiện Việt Nam

+ Trên cơ sở đánh giá con lai F1 giữa các dòng EGMS mới với các giống lúa thường tuyển chọn được một số tổ hợp lai hai dòng triển vọng có năng suất cao, chất lượng tốt phục vụ sản xuất

+ Xác định giai đoạn mẫn cảm, thời gian mẫn cảm và sự chuyển hoá tính dục của các dòng EGMS mới

+ Đánh giá được khả năng kết hợp của các dòng EGMS và tìm hiểu gen kiểm soát tính mẫn cảm quang chu kỳ của dòng PGMS

+ Tuyển chọn được một số tổ hợp lai hai dòng mới có năng suất cao, chất lượng tốt phù hợp với điều kiện Việt Nam

3.1 Ý nghĩa khoa học

+ Đây là công trình nghiên cứu có hệ thống đầu tiên ở Việt Nam về chọn tạo dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm quang chu kỳ ngắn Kết quả đã chọn được dòng P5S có phản ứng chính xác với độ dài ngày, ít chịu ảnh hưởng bởi điều kiện ngoại cảnh khác nên có thể coi đây là một tiến bộ mới trong việc tạo vật liệu bất dục cho phát triển lúa lai hai dòng ở Việt Nam

+ Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ bổ sung thêm cơ sở lý luận và phương pháp chọn tạo các dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm môi trường ở điều kiện Việt Nam

+ Việt Nam với vị trí địa lý kéo dài trên 17 vĩ độ (từ 8 đến 24 vĩ độ Bắc) đều có những thời gian mà độ dài ngày ngắn hơn và dài hơn ngưỡng 12 giờ16 phút Vì vậy xét về nguyên lý, việc tìm ra dòng P5S với ngưỡng chuyển đổi tính dục như trên có thể bố trí nhân (cho tự thụ) ở điều kiện ngày ngắn và tổ chức sản xuất hạt lai F1 ở điều kiện ngày dài từ Bắc vào Nam trong 2 vụlúa chính.

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

+ Chọn tạo được 1 dòng bất dục đực nhân mẫn cảm quang chu kỳ ngắn P5S và 1 dòng bất dục đực nhân mẫn cảm nhiệt độ T4S làm phong phú thêm nguồn vật liệu cho chọn tạo giống lúa lai hai dòng ở Việt Nam

+ Xây dựng được qui trình kỹ thuật nhân dòng P5S, qui trình sản xuất

+ Từ kết quả nghiên cứu của đề tài, đã chọn thành công giống lúa lai hai dòng mới TH5-1, giống đã được khảo nghiệm, trình diễn, mở rộng sản xuất và được Bộ Nông nghiệp và PTNT công nhận là giống cho sản xuất thử theo quyết định 3642/QĐ-BNN-TT ngày 30 tháng 11 năm 2006

+ Đề tài đã sử dụng các dòng bất dục đực TGMS, PTGMS, dòng cho phấn để lai tạo chọn lọc ra các dòng TGMS, PGMS mới Đồng thời lai thử, đánh giá tổ hợp lai giữa các dòng TGMS, PGMS mới với các dòng giống trong tập đoàn công tác của Viện Sinh học Nông nghiệp để tìm ra tổ hợp lai mới

+ Toàn bộ quá trình lai tạo, chọn lọc và đánh giá các dòng TGMS, PGMS mới được thực hiện tại Viện Sinh học Nông nghiệp - Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội Sản xuất thử, trình diễn và mở rộng tổ hợp lai mới được thực hiện ở 6 địa phương: Thái nguyên, Nam Định, Hưng Yên, Phú Thọ, Thái Bình, Hà Nội

CHƯƠNG 1

2.1 Lịch sử nghiên cứu phát triển lúa lai trên thế giới

Ưu thế lai là một thuật ngữ để chỉ tính hơn hẳn của con lai F1 so với bốmẹ chúng về các tính trạng hình thái, khả năng sinh trưởng, sức sinh sản, khảnăng chống chịu và thích nghi, năng suất, chất lượng hạt và các đặc tính khác Việc sử dụng rộng rãi các giống lai F1 vào sản xuất đã làm tăng thu nhập và hiệu quả kinh tế của sản xuất nông nghiệp (Yuan L.P., 1995) [145]

Hiện tượng ưu thế lai được các nhà khoa học phát hiện khá sớm trên các giống cây trồng và vật nuôi Người ta đã khai thác hiệu ứng ưu thế lai, tạo ra các giống cây trồng cao sản như Ngô, bắp cải, hành tây, cà chua các giống vật nuôi lớn nhanh như lợn lai kinh tế, vịt lai, gà công nghiệp (Nguyễn Công Tạn và cộng sự, 2002) [45]

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 Tiếp sau đó, có nhiều công trình nghiên cứu xác nhận sự xuất hiện ưu thế lai về năng suất, các yếu tố cấu thành năng suất (Anonymous, 1977; Li, 1977; Lin và Yuan, 1980); về tích luỹ chất khô (Rao, 1965; Jenning, 1967; Kim, 1985); về sự phát triển của bộ rễ(Anonymous, 1974); về cường độ quang hợp, cường độ hô hấp, diện tích lá (Lin và Yuan, 1980; Deng, 1980, MC Donal và cộng sự, 1971; Wu và cộng sự, 1980) [17], [90] 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 ởkhâu 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 [85], [118]

Năm 1964, Yuan Long Ping cùng các đồng nghiệp 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 (Yuan L.P.,1992) [143]

Năm 1976, Trung Quốc đã gieo cấy 140.000 ha lúa lai, diện tích trồng liên tục tăng năm sau so với năm trước và năng suất lúa cũng tăng theo Năm 1990, Trung Quốc đã trồng được 15 triệu ha lúa lai chiếm 49% tổng diện tích lúa, năng suất vượt 20% so với lúa thường tốt nhất Qui trình nhân dòng bốmẹ và sản xuất hạt lai F1 ngày càng hoàn thiện và đạt năng suất cao Với những thành công này của Trung Quốc đã mở ra triển vọng to lớn về phát triển lúa lai trên thế giới (Nguyễn Thị Trâm, 2002; Yuan L.P., 1993) [53], [144]

Đồng thời với việc phát triển lúa lai ba dòng, một số kết quả trong nghiên cứu lúa lai hai dòng đã được công bố Năm 1973, Shiming Song đã phát hiện được dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với quang chu kỳ(HPGMS) từ quần thể Nông Ken 58S Năm 1991, Maruyama và cộng sự(Nhật Bản) đã tạo ra được dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ Norin PL12 bằng phương pháp gây đột biến nhân tạo (Yin Hua Qi, 1993; Zhou CS, 2000) [138], [156]

Giống lúa lai hai dòng được đưa ra trồng đại trà đầu tiên của Trung Quốc là Pei ai 64S/Teqing Năm 1992, diện tích gieo trồng lúa lai hai dòng ởTrung Quốc là 15.000 ha với năng suất 9-10 tấn/ha, năng suất cao nhất đạt 17 tấn/ha Đến năm 1997 đã có 640.000 ha năng suất trung bình cao hơn lúa lai ba dòng từ 5-15 % Hầu hết các tổ hợp lai hai dòng đều cho năng suất cao và phẩm chất tốt hơn so với các tổ hợp lai ba dòng (Ngô Thế Dân, 1994; Yuan L.P., 1997) [7], [146]

Hạt giống lúa lai của Trung Quốc đã được đưa sang trồng thử tại IRRI năm 1979, Indonesia, Ấn Độ năm 1980, Mỹ năm 1983 đều cho năng suất cao hơn các giống địa phương một cách tin cậy (Quách Ngọc Ân, 1998) [2] Công nghệ sản xuất lúa lai của Trung Quốc đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Đã có 17 nước ngoài Trung Quốc nghiên cứu và sản xuất lúa lai, diện tích trồng lúa lai chiếm khoảng 10% tổng diện tích lúa và chiếm khoảng 20% tổng sản lượng lúa toàn thế giới Lúa lai đã mở ra hướng phát triển mới để nâng cao năng suất và sản lượng, góp phần giữ vững an ninh lương thực trên phạm vi toàn cầu (Virmani S.S., 1995) [120] Tại Hội nghị lúa lai Quốc tế lần thứ tư tổ chức tại Việt Nam đã tổng kết, từ năm 1996 đến năm 2002, diện tích trồng lúa lai ở các nước ngoài Trung Quốc như Việt Nam, Ấn Độ, Philippines, Bangladesh, Myanmar…đã tăng từ 200.000 ha lên 700.000 ha Một số nước như Inđônêxia, Mỹ đã ứng dụng công nghiệp hoá trong vấn đề sản xuất hạt giống lúa lai Theo các nhà khoa học Trung Quốc đến năm 2002, diện tích lúa lai chiếm 60% diện tích trồng lúa và diện tích lúa lai hai dòng đạt 2,67 triệu ha [75]

2.2 Sự biểu hiện ưu thế lai ở lúa

Ưu thế lai xuất hiện ngay từ khi hạt mới nảy mầm cho đến khi hoàn thành quá trình sinh trưởng và phát triển của cây Sự biểu hiện của ưu thế lai

ở các cơ quan sinh trưởng sinh dưỡng và sinh trưởng sinh thực (Nguyễn Văn Hiển, 2000) [17]

- Ưu thế lai ở hệ rễ: Theo kết quả nghiên cứu của Lin và Yuan (1980)

đã xác nhận con lai F1 có số lượng rễ ra sớm, ra nhiều và nhanh hơn bố mẹchúng Chất lượng rễ được đánh giá bằng độ dày, trọng lượng khô, số lượng rễ phụ, số lượng lông hút và hoạt động hút chất dinh dưỡng của bộ rễ từ rễ lên cây, hệ rễ của lúa lai hoạt động mạnh nhất khi lúa bắt đầu đẻ nhánh Chính vì thế mà lúa lai có tính thích ứng rộng với những điều kiện bất thuận như ngập úng, hạn, phèn mặn (Quách Ngọc Ân, 1994; Anonymous, 1996) [1], [61] - Ưu thế lai về khả năng đẻ nhánh: Con lai F1 đẻ nhánh sớm, sức đẻ

nhánh khoẻ, tập trung và có tỷ lệ nhánh hữu hiệu cao (Chang W.L., 1971; Lin S.C, 1980) [66], [90]

- Ưu thế lai về chiều cao cây: Chiều cao cây của lúa lai cao hay thấp

hoàn toàn phụ thuộc vào đặc điểm của bố mẹ Tuỳ từng tổ hợp, chiều cao cây của F1 có lúc biểu hiện ưu thế lai dương, có lúc nằm trung gian giữa bố mẹ, có lúc xuất hiện ưu thế lai âm Vì chiều cao cây có liên quan tới tính chống đổtrên đồng ruộng nên khi chọn bố mẹ phải chú ý chọn các dạng nửa lùn để con lai có dạng cây nửa lùn (Chang W.L., 1967) [65]

- Ưu thế lai về thời gian sinh trưởng: Lin và Yuan (1980) cho rằng đa

số con lai F1 có thời gian sinh trưởng khá dài và thường dài hơn bố mẹ sinh trưởng dài nhất Xu và Wang (1980) đã xác nhận thời gian sinh trưởng của con lai phụ thuộc vào thời gian sinh trưởng của dòng bố Một số kết quảnghiên cứu khác xác định thời gian sinh trưởng của con lai gần giống thời gian sinh trưởng của dòng bố hoặc dòng mẹ chín muộn (Ponnuthurai, 1984) Theo Nguyễn Thị Trâm và cộng sự (1994) thì thời gian sinh trưởng của con

lai F1 hệ ba dòng dài hơn cả dòng mẹ và dòng phục hồi ở cả 2 vụ trong năm [50], [105]

- Ưu thế lai về một số đặc tính sinh lý: Nhiều nghiên cứu phát hiện thấy

lúa lai có diện tích lá lớn, hàm lượng diệp lục trên một đơn vị diện tích lá cao do đó hiệu suất quang hợp cao Trái lại cường độ hô hấp của lúa lai thấp hơn lúa thường Con lai F1 có cường độ quang hợp cao hơn dòng bố khoảng 35%, cường độ hô hấp thấp hơn lúa thường từ 5-27% Hiệu suất tích luỹ chất khô của lúa lai hơn hẳn lúa thường nhờ vậy mà tổng lượng chất khô trong cây tăng, trong đó lượng vật chất tích luỹ vào bông hạt tăng mạnh còn tích luỹ vào các cơ quan như thân lá lại giảm mạnh (Trần Duy Quý, 1994; Kasura K.,2007) [43], [82]

- Ưu thế lai về khả năng chống chịu: Con lai F1 có khả năng chống

chịu với những điều kiện bất thuận: lạnh, hạn, ngập, mặn, chua Sức chịu lạnh của lúa lai cao ở thời kỳ mạ nhưng lại chịu lạnh kém ở thời kỳ chín sáp Lúa lai có khả năng tái sinh chồi và khả năng chịu nước sâu cao (Sirajul Islam, 2007) [109] Lúa lai có khả năng chống chịu với một số loại sâu bệnh như rầy nâu, đạo ôn, bạc lá và thích ứng nhiều vùng sinh thái (Kaw R.N., 1985; Senadhira, 1987) [83], [106] Ở Việt Nam, một số tác giả đã công bốcác giống lúa lai có ưu thế về tính chống đổ, chịu rét, kháng đạo ôn, khô vằn và khả năng thích ứng rộng (Nguyễn Công Tạn, 1999) [46]

- Ưu thế lai về các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất: Kết quả

nghiên cứu của một số tác giả cho thấy con lai có năng suất cao hơn bố mẹ từ21%-70% khi gieo cấy trên diện rộng và hơn hẳn các giống lúa lùn cải tiến tốt nhất từ 20%-30% Đa số các tổ hợp lai có ưu thế lai cao về số bông/khóm, khối lượng trung bình bông, tỷ lệ hạt chắc và khối lượng 1000 hạt (Virmani S.S., 1981) [117] Ở Việt Nam, qua tổng kết của Bộ Nông nghiệp và PTNT

cho thấy năng suất bình quân của lúa lai ở các tỉnh phía Bắc đạt mức 7-8 tấn/ha, tăng hơn lúa thường cùng thời gian sinh trưởng từ 2-3tấn/ha/vụ

2.3 Nghiên cứu phát triển lúa lai hai dòng

Khai thác ưu thế lai ở lúa nhờ vào dòng bất dục đực tế bào chất (CMS dòng A), dòng duy trì (B) và dòng phục hồi (R) của hệ thống “Ba dòng”; dòng bất dục đực nhân mẫn cảm môi trường (EGMS) và dòng phục hồi (R) của hệ thống “Hai dòng”; sử dụng thể vô phối (Apomixis) của lúa lai “Một dòng” đã đem lại lợi ích to lớn cho nhân loại, xóa đói giảm nghèo, nâng cao hiệu quả cho người trồng lúa và an ninh lương thực Tuy nhiên mỗi phương pháp khai thác, bên cạnh những ưu điểm vẫn tồn tại một số hạn chế Lúa lai “Ba dòng” có ưu điểm có năng suất cao, chống chịu sâu bệnh tốt nhưng lại có hạn chế dòng CMS có phổ phục hồi hẹp, qui trình nhân dòng mẹ phức tạp Đối với lúa lai “Hai dòng” dòng mẹ có phổ phục hồi rộng, nhân dòng mẹ đơn giản hơn nhưng hạn chế bởi chi phối của điều kiện thời tiết nên độthuần hạt lai không cao, làm giảm ưu thế lai của tổ hợp Lúa lai “Một dòng” về nguyên lý là duy trì ưu thế lai nhờ thể vô phối nhưng đến nay những nghiên cứu và sử dụng thể vô phối chưa thành công

-Đề tài nghiên cứu thuộc hệ thống lúa lai “Hai dòng” nên tác giả tập trung tổng kết những kết quả đạt được cũng như tồn tại trong nghiên cứu và phát triển lúa lai hai dòng trên thế giới và Việt Nam Từ những hạn chế trong nghiên cứu lúa lai hai dòng ở Việt Nam, đề tài nghiên cứu sẽ giải quyết được vấn đề nào trong những tồn tại đó?

2.3.1.1 Nghiên cứu và sử dụng dòng PGMS

Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với chu kỳ chiếu sáng ở lúa được ứng dụng để sản xuất hạt lai khá muộn Năm 1973, Shi Ming Song tìm ra dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với chu kỳ quang (HPGMS) từquần thể giống Nong ken 58S tại Trung tâm nghiên cứu lúa lai Hồ Bắc Dòng

>14.0 giờ và phục hồi hữu dục trong điều kiện ngày ngắn <13.75 giờ Do vậy chúng có thể duy trì bằng cách cho tự thụ trong điều kiện ngày ngắn Trong điều kiện ngày dài dòng này bất dục nên có thể dùng làm dòng mẹ để sản xuất hạt lai Thời gian mẫn cảm của dòng PGMS được tính khi ánh sáng có cường độ lớn hơn 50 lux Khi lai dòng PGMS trên với các giống lúa thường, F1 hữu dục bình thường, F2 phân ly theo tỷ lệ 3 hữu dục : 1 bất dục trong điều kiện ngày dài, từ đó có thể kết luận tính trạng bất dục đực do một cặp gen lặn qui định (Shi M.S.,1985, 1986; Zhang Z.G., 1987) [107], [108], [150]

Lu X (1994) lai Nongken 58S với các giống indica và japonica rồi

cho phân ly ở F2, thu được một số dòng PGMS và TGMS Điều đó chứng tỏNongken 58S có chứa gen bất dục đực di truyền nhân [96] Thực tế có hàng loạt các dòng EGMS được tạo ra có nguồn gốc từ Nongken 58S như N5047S, 311S, WD-1S, 7001S, Peiai 64S (Liao, 1997; Maruyama K.,1991; Bai D.L., 2002) [89], [100], [62] Dòng NK58S(R) được chọn lọc nhờ việc gây đột biến dòng Nongken 58S, hoặc dòng 1149S được chọn lọc từ việc lai dòng Nongken 58S với giống lúa Japonica Nonghu26 Nhiều nghiên cứu cho rằng dòng Nongken 58S là dòng PTGMS mang cả gen tms và pms, nhưng 2 gen này nằm ở 2 vị trí khác nhau trên nhiễm sắc thể (Mei G., 1990; Mei M.H., 1999) [101], [102] Gen phục hồi hữu dục đối với dòng NK58S(R) và 1149S không đồng alen với gen phục hồi của dòng Nongken 58S (Virmani, 1997; Zhang Z., 2004) [123], [153]

Theo Yang và cộng sự (1992) gen Ps của dòng PGMS được coi là gen đóng vai trò thứ yếu (gen lặn) trong việc gây ra tính bất dục vì ở quần thể F2 mới thấy xuất hiện một vài cá thể bất dục 100% [134]

Tìm hiểu ảnh hưởng của ánh sáng, nhiệt độ lên Nongken 58S và các dòng EGMS có cùng nguồn gen pms của Nongken 58S thấy có sự ảnh hưởng khác nhau của nhiệt độ lên tính hữu dục và bất dục của các dòng này Đối với

các dòng khác thì ngược lại điều này chứng tỏ có 2 cặp gen trong nhân điều khiển tính mẫn cảm (Zhang Z.G., 1992; Zhang Z., 1998, Zhuping, 1997) [151], [152], [157]

Một số kết quả nghiên cứu ở Trung Quốc cho rằng gen mẫn cảm quang chu kỳ có bản chất di truyền giống như gen mẫn cảm với nhiệt độ Gen pmscũng hoạt động hai chức năng: gây bất dục trong điều kiện ngày dài và có khảnăng hình thành hạt phấn hữu dục trong điều kiện ánh sáng ngày ngắn Tuy nhiên tính mẫn cảm quang chu kỳ của các dòng PGMS còn phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ Trong một giới hạn nhiệt độ nhất định thì độ dài ngày không có hiệu quả đối với quá trình chuyển đổi tính dục Nhiệt độ cao ảnh hưởng tới độ an toàn của quá trình nhân dòng bất dục trong điều kiện ngày ngắn, còn nhiệt độ thấp lại ảnh hưởng đến quá trình sản xuất hạt lai trong điều kiện ngày dài Do vậy để chọn một dòng PGMS dễ dàng sử dụng thì giới hạn nhiệt độ dưới gây bất dục đực trong điều kiện ngày dài cần phải thấp và khoảng nhiệt độ mẵn cảm ánh sáng cần phải rộng (Xue G.X.,1997; Zhang N.Y., 1996) [130], [149]

Zhang và cộng sự (1994) bằng phương pháp đánh dấu tính đa hình độdài đoạn ADN bị phân cắt (RFLP) đã tìm ra được 2 gen điều khiển tính bất dục đực mẫn cảm với ánh sáng ngày ngắn là pms1 và pms2 nằm trên nhiễm sắc thể số 7 và số 3 Năm 1995, Wang đã xác định lại rằng có 1 gen pms nằm trên nhiễm sắc thể số 7 (Wang F.P., 1997; Zhang Q., 1994) [127], [154] Lu X.G và cộng sự (2002) cho biết các nhà khoa học Trung Quốc, Nhật Bản, Việt Nam và Ấn Độ đã xác định có 3 gen pms1, pms2 và pms3 nằm trên nhiễm sắc thể số 7, 3 và số 12 [97] Các nhà khoa học cho rằng gen qui định tính bất dục đực ở các dòng PTGMS có ở 6 trong số 12 nhiễm thể của lúa đó là nhiễm sắc thể số 3, 5, 6, 7, 11 và 12 (Jiang S et al, 2000; Mei et al, 1999; Yang Z.P, 1997) [79], [102], [137]

Theo Zhu Y (1997) dòng PGMS 8902S được chọn từ tổ hợp lai giữa Zhenshan 97 và Shuang 8-14S sau đó lai trở lại với Zhenshan 97 Từ dòng 8902S lai với các giống lúa thường hoặc dòng PGMS khác và chọn được các dòng PGMS mới Ví dụ: dòng W9451S được tạo ra do lai 8902S với Yuhong No.1; Dòng Luguang 2S được tạo ra do lai giữa 8902S với 8906S [103], [159], [160]

Các nhà nghiên cứu cho rằng có khoảng 25% số dòng PGMS của Trung Quốc được tạo ra bằng nuôi cây bao phấn Hai dòng PGMS 93920S và 93926S cũng được tạo ra nhờ phương pháp này, chúng có tính bất dục ổn định hơn và độ thuần cao hơn ( Niu J., 1997, Sun Z.X., 2000) [99], [114]

Li C.Q (1997) đã chọn được dòng PGMS 7001S bằng việc lai dòng Nongken 58S với giống lúa thường Japonica 917 từ năm 1985 Dòng 7001S

bất dục khi ở giai đoạn mẫn cảm có độ dài chiếu sáng trong ngày dài hơn 14 giờ và hữu dục khi độ dài ngày nhỏ hơn 13 giờ 45 phút Dòng 7001S có ưu thế lai cao, tổ hợp 70 You 9 đã được trồng ở tỉnh An Huy với diện tích trên 94.000 ha trong 5 năm (1991-1996) [92], [93]

2.3.1.2 Nghiên cứu và sử dụng các dòng TGMS

Dòng TGMS biểu hiện bất dục khi gặp nhiệt độ trung bình ngày cao và hữu dục khi gặp nhiệt độ trung bình ngày thấp vào thời kỳ lúa phân hoá đòng từ cuối bước 3 đến bước 6 Thời kỳ này được gọi là thời kỳ mẫn cảm Gen kiểm soát tính mẫn cảm là một cặp gen lặn ký hiệu là tms Gen này hoạt động hai chức năng: điều khiển sự hình thành hạt phấn hữu dục khi gặp nhiệt độthấp và hình thành hạt phấn bất dục khi gặp nhiệt độ cao (Nguyễn Công Tạn và cộng sự, 2002) [45]

Biểu hiện bất dục Hữu dục Bán bất dục Bất dục Bất dục sinh lý sinh lý (Ảnh hưởng của BLT FT ST BUT

Ghi chú: BLT: Biological Lower Temperature: Nhiệt độ giới hạn sinh học dưới

FT: Fertile Temperature: Nhiệt độ gây hữu dục ST: Sterile Temperature: Nhiệt độ gây bất dục

BUT: Biological Upper Temperature: Nhiệt độ giới hạn sinh học trên

Khi nhiệt độ trung bình ngày xuống thấp hơn hoặc bằng nhiệt độ giới hạn sinh học dưới, cây bất dục sinh lý Khi nhiệt độ diễn biến trong khoảng nhiệt độ giới hạn dưới đến nhiệt độ tới hạn gây hữu dục thì dòng TGMS sẽhữu dục Khi nhiệt độ trung bình ngày diễn biến trong khoảng từ điểm nhiệt độ tới hạn gây hữu dục đến điểm nhiệt độ tới hạn gây bất dục trong thời kỳmẫn cảm thì dòng TGMS trở nên bán bất dục Nhiệt độ môi trường cao hơn nhiệt độ tới hạn gây bất dục thì dòng TGMS sẽ bất dục hoàn toàn, rất nhiều dòng bao phấn rỗng không hình thành được hạt phấn (Liu Y.,1997) [94]

Theo tổng kết của Nguyễn Thị Trâm (2000), thời kỳ mẫn cảm của các dòng TGMS bắt đầu từ ngày thứ 15 đến ngày thứ 6 trước khi trỗ bông tương ứng với thời kỳ phân hoá đòng đầu bước 4 đến hết bước 5 [53] Theo Hoàng Tuyết Minh và Nghiêm Thị Nhạn (2002) thì giai đoạn mẫn cảm từ 20 ngày đến 10 ngày trước khi lúa trỗ [76] Theo Borkakali và Virmani (1997) giai đoạn mẫn cảm của dòng TGMS Norin PL12 vào thời điểm 6 đến 15 ngày trước khi trỗ, còn của dòng IR32364S vào 6-10 ngày trước khi trỗ [64]

Wang F và cộng sự (1997) khi nghiên cứu ảnh hưởng của 3 ngày nhiệt thấp vào giai đoạn chuyển đổi tính dục từ bước 4 đến bước 6 phân hoá đòng của 4 dòng P/TGMS Pei ai 64S, Anxiang S, Sui 35S và GD-2S cho thấy có ảnh hưởng lớn nhất ở giai đoạn bước 5 [125] Theo Lê Hữu Khang (1999), trong giai đoạn phân hoá đòng bước 4 đến bước 5 chỉ cần 2 ngày nhiệt độthấp thì một số dòng TGMS đã hình thành hạt phấn hữu dục, nếu 4 ngày liên tiếp có nhiệt độ thấp ≤ 240

C thì tất cả các dòng TGMS tham gia nghiên cứu (T1S-96, T29S, Hương 125S, Pei ai 64S đều có phấn hữu dục và một số dòng đậu hạt [33]

Dựa vào đặc điểm bất dục của hạt phấn, người ta đã chia dòng TGMS thành 2 kiểu bất dục: Kiểu thứ nhất: Bất dục điển hình, hạt phấn có hình thoi, tam giác, vỏ nhăn nheo giống như dòng CMS; Kiểu thứ hai: Bất dục không hạt phấn, bao phấn rỗng không có hạt phấn, khi lúa trỗ thấy bao phấn có màu trắng Dòng TGMS có một số đặc điểm quí như: vòi nhuỵ dài, đầu nhuỵ to phân ra rất nhiều nhánh và còn khả năng nhận phấn đến ngày thứ 6 sau khi nởhoa Tỷ lệ vòi nhuỵ vươn ra ngoài vỏ trấu của dòng TGMS thường cao hơn các dòng CMS (Virmani S.S., 1996) [121]

Sun, Yang và cộng sự (1989) phát hiện ra dòng bất dục đực mẫn cảm nhiệt độ đầu tiên mang tên 5460S, thu được từ quần thể đột biến của giống lúa IR54 [112], [131] Năm 1990, Yang và cộng sự chọn tạo được dòng bất dục đực mẫn cảm nhiệt độ R59TS và H89-1 Sau đó Maruyama và các cộng sự(1991) thông báo về việc chọn tạo dòng bất dục đực mẫn cảm nhiệt độ Norin PL-12 bằng phương pháp đột biến [100], [132] Những tác giả trên đều đưa ra kết luận rằng tính bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ đều do cặp gen lặn trong nhân điều khiển Kinoshita (1992) đặt tên cho gen TGMS của 5460S và Norin PL-12 là tms-1 và tms-2 [86] Năm 1991, Virmani S.S và cộng sự đã chọn được dòng TGMS mới IR32364S từ IR32364 bằng đột biến phóng xạ và xác định tính bất dục đực do một gen lặn qui định [119] Theo Ali J (1996), tính bất dục đực của dòng TGMS SA2 do 1 gen lặn qui định [58] Theo Latha R (2004) chọn được dòng TS6 có ngưỡng chuyển đổi tính dục 25,5 đến 26,70

C và do 1 gen lặn điều khiển tính bất dục mẫn cảm nhiệt độ [88] Ngoài ra còn rất nhiều dòng TGMS tạo ra bằng các phương pháp khác nhau của các tác giảở các nước khác nhau như: Dòng TGMS 822 thu được từ đột biến tự nhiên giống lúa địa phương hay dòng TGMS-SA-2 tạo ra bằng phương pháp gây

đột biến hoá chất của Ấn Độ, dòng Annong S-1 do lai giữa indica và indica,

Viện Di truyền Nông nghiệp tạo ra bằng phương pháp gây đột biến giống địa phương Chiêm Bầu (Borkakati R.P., 1993; Phạm Ngọc Lương, 2000) [63], [36] Các nhà khoa học đã xác định được 5 gen qui định tính bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ đó là tms1, tms2, tms3, tms4 và tms5 nằm trên nhiễm sắc thể số 8, 7, 6, 9 và 2 (Lu X.G et al, 2002; Dong S.L., 2005) [97], [70]

Theo Wang C.H (2004) dòng TGMS 0A15-1 được chọn tạo bằng phương pháp gây đột biến có gen qui định tính bất dục mẫn cảm nhiệt độ năm trên nhiễm sắc thể số 6 [126]

Theo Nguyễn Văn Đồng (1999), bằng phương pháp phân tích BSA kết hợp với kỹ thuật AFLP, kỹ thuật RFLP và kỹ thuật vi vệ tinh đã phát hiện và

định vị chính xác 1 gen tms mới thứ 3 của lúa Gen này được ký hiệu là 4(t), nó nằm cạnh tâm động, trên vai ngắn của nhiễm sắc thể số 2 của lúa và không alen với gen tms-1 và tms-3(t) [9]

tms-Khi nghiên cứu đặc điểm di truyền của gen qui định tính bất dục đực, Hà Văn Nhân (2001) thấy rằng 6 dòng TGMS: SE21, T25S, Hương 125S, TGMS4, TGMS5 và TGMS6 đều do 1 gen lặn nằm trong nhân điều khiển [41]

2.3.1.3 Một số đặc điểm của dòng T(P)GMS và P(T)GMS

Ngoài việc phát hiện ra các dòng PGMS và TGMS do một cặp gen lặn điều khiển, các nhà chọn giống Trung Quốc còn tìm ra một số dòng T(P)GMS và P(T)GMS do hai cặp gen điều khiển, có thể sử dụng làm dòng mẹ để phát triển lúa lai hai dòng Yuan L.P (1997) giới thiệu 4 loại dòng này và giải thích sự biểu hiện tính dục của chúng phụ thuộc vào quan hệ tương tác giữa nhiệt độ và độ dài chiếu sáng trong ngày [146]

Kiểu bất dục LDHT SDHT LDLT SDLT Nhiệt độ cao gõy bất dục Bất dục Bất dục Hữu dục Hữu dục

Nhiệt độ thấp gõy bất dục Hữu dục Hữu dục Bất dục Bất dục Ánh sáng dài gây bất dục Bất dục Hữu dục Bất dục Hữu dục

Ánh sáng ngắn gây bất dục Hữu dục Bất dục Hữu dục Bất dục

Ghi chú: LDHT: long day high temperature: Ngày dài nhiệt độ cao

SDHT: short day high temperature: Ngày ngắn nhiệt độ cao LDLT: long day low temperature: Ngày dài nhiệt độ thấp SDLT: short day low temperature: Ngày ngắn nhiệt độ thấp

Cheng S.H (2000), cho biết có khoảng 1/2 số dòng EGMS đ được xác định thuộc nhóm này, hầu hết chúng có nguồn gốc gần với PGMS [67] Yang R.C (1990), Sun Z.X và Mou T.M (2000) cho rằng sự thay đổi tính dục của loại dòng này có quan hệ chặt với sự tương tác của độ dài ngày và nhiệt độ Chúng có thể chỉ hữu dục khi xuất hiện tương tác của ngày dài cùng với nhiệt độ cao, ngày dài cùng với nhiệt độ thấp Trong trường hợp ngày ngắn và nhiệt độ cao thì chúng cũng bất dục hoàn toàn Ở vựng nhiệt đới, kiểu dũng PTGMS bất dục hoàn toàn ở phần lớn cỏc vựng Trung Quốc sử dụng cỏc dũng này để sản xuất hạt lai F1 nhưng khú đạt năng suất cao khi nhõn dũng mẹ [104], [113], [133]

2.4.1.4 Một số đặc điểm của cỏc dũng khỏng PGMS và TGMS

Cỏc dũng khỏng PGMS và TGMS cú sự thay đổi tớnh dục gõy nờn bởi điều kiện mụi trường trỏi ngược với cỏc dũng PGMS hoặc TGMS Dũng khỏng PGMS sẽ hữu dục bỡnh thường trong điều kiện ỏnh sỏng ngày dài và

nhiệt độ cao và bất dục khi nhiệt độ thấp Các dòng này cũng có thể sử dụng làm nguồn vật liệu để phát triển lúa lai hai dòng trong những điều kiện khí hậu nhất định ở một số địa phương (Nguyễn Thị Trâm, 2002; Haohua He, 2006) [53], [74]

Gao Y.Z (1991) đã lai giữa giống Japonica “Honggeng” với giống indica “B3” thu được dòng EDS1 bất dục trong điều kiện ngày ngắn Dòng bất dục đực mẫn cảm với ánh sáng ngắn này có thời gian bất dục dài 6 tháng trong năm [71]

Dòng kháng TGMS Diannong- 1 được tạo ra bằng phương pháp lai xa giữa tổ hợp Zimi/Dianyn-1 với Liming hữu dục bình thường ở điều kiện nhiệt độ trên 24O

C và bất dục khi nhiệt độ dưới 24OC

Để chọn tạo được một dòng EGMS phù hợp cần nghiên cứu qui luật diễn biến nhiệt độ, độ dài ngày của vùng cần sử dụng các dòng EGMS đó đểđưa ra hướng chọn tạo và sử dụng Các nhà nghiên cứu Trung Quốc cho rằng dòng PGMS có giá trị sử dụng nhiều hơn cho vùng Ôn đới, dòng TGMS thích hợp cho vùng nhiệt đới Các tỉnh phía Nam Trung Quốc và phía Bắc Việt Nam có sự thay đổi lớn về nhiệt độ giữa các vùng núi cao và đồng bằng, giữa các mùa trong năm nên thích hợp cho việc sử dụng các dòng TGMS (Hoàng Tuyết Minh, 1996; Nguyễn Thị Trâm, 1996; Mou T.M., 2000) [39], [51], [104]

Tuy nhiên trong điều kiện Việt Nam, một dòng PGMS có thể sử dụng được nếu nó bất dục đực hoàn toàn khi thời gian chiếu sáng trong ngày dài hơn 12 giờ 30 phút và nhiệt độ cao, có phấn hữu dục và đậu hạt khi độ dài chiều sáng trong ngày giảm xuống dưới ngưỡng đó Như vậy có thể nhân dòng PGMS và sản xuất hạt lai F1 ở cả miền Bắc và miền Nam Chọn tạo được những dòng PGMS có giới hạn chuyển hoá như trên sẽ giúp cho công

tác sản xuất hạt lai thuận lợi hơn, có thể giảm giá thành hạt giống (Nguyễn Thị Trâm, 2002) [53]

Theo Yuan L.P có một số phương pháp chọn tạo dòng EGMS sau:

2.3.2.1 Phân lập các dòng EGMS có trong tự nhiên

Trong tập đoàn vật liệu chọn giống lúa có thể tồn tại các cá thể bất dục do đột biến tự nhiên gây nên Quan sát ruộng lúa ở giai đoạn trỗ bông đến chín có thể phát hiện cây bất dục Thu nhận, duy trì và theo dõi sự chuyển đổi tính dục của chúng bằng lúa chét Khi gặp điều kiện ngoại cảnh thuận lợi nhưnhiệt độ hạ thấp hoặc thời gian chiếu sáng ngắn dần lúa chét sẽ phục hồi hữu dục Từ kết quả cụ thể theo dõi được có thể kết luận là dòng TGMS hoặc PGMS đồng thời xác định ngưỡng chuyển đổi tính dục, thời kỳ mẫn cảm và giá trị sử dụng của từng dòng trong phát triển tổ hợp lai Có thể xác định nhanh đặc điểm mẫn cảm của các cá thể được chọn bằng Phytotron (Yin Hua Qi, 1993) [138]

2.3.2.2 Tạo dòng TGMS bằng phương pháp lai

Để đa dạng các dòng EGMS trong vườn vật liệu chọn giống có thể sửdụng phương pháp lai chuyển gen để chuyển các gen EGMS vào các giống thích hợp ở địa phương hoặc cải tiến các dòng EGMS sẵn có với mục đích tập hợp nhiều tính trạng quý khác nhau vào một giống để tăng hiệu quả sử dụng (Yuan L.P., 1995) [145]

* Lai đơn và chọn lọc cá thể

Sử dụng nguồn gen tms (hoặc pms) sẵn có làm mẹ để lai với các dòng giống lúa thường khác nhau, thu hạt lai, gieo và đánh giá con lai F1 Hạt F1 tựthụ tiếp tục gieo để có quần thể F2 Khi gieo cần tính toán sao cho quần thểnày ở thời kỳ phân hoá đòng bước 3 đến bước 6 có nhiệt độ cao (hoặc pha

có kiểu hình mong muốn, cắt chét và chăm sóc cẩn thận Sau khi cắt chét được 7-10 ngày, chồi ra được 1-3 lá đưa xử lý nhiệt độ thấp dưới 240

C (hoặc ánh sáng ngắn) từ 10-12 ngày rồi trồng trong nhà lưới để theo dõi Khi lúa trỗtiến hành kiểm tra hạt phấn Nếu hạt phấn của cá thể nào đó hữu dục chứng tỏcá thể đó là EGMS Xử lý nhiệt độ thấp hoặc ánh sáng ngắn có thể đưa lên vùng núi có độ cao trên 900 m so với mức nước biển hoặc Phytotron Nếu không có điều kiện thực hiện hai cách trên có thể nhân các chồi theo hệ vô tính liên tục chờ đến mùa đông, nhiệt độ xuống thấp dưới 240

C hoặc ánh sáng ngày ngắn, hệ vô tính này hữu dục, thu được hạt tự thụ, dòng đó là EGMS (Nguyễn Thị Trâm, 2002) [53]

* Lai trở lại để tạo dòng EGMS mới

Sử dụng phương pháp này để lai tích luỹ các đặc tính mong muốn vào dòng EGMS mới Vì tính bất dục của dòng EGMS đều được kiểm soát bởi gen lặn nên bắt đầu lai lại ngay từ F1, tính bất dục giữ được đến các thế hệsau Có thể chuyển gen MS giữa các giống không cùng loài phụ hoặc giữa các bố mẹ không tương hợp di truyền nhờ phương pháp này

Qui trình chọn tạo EGMS bằng phương pháp lai của Yin Hua Qi (1993) [138]

1- Lai dòng EGMS ổn định đã được xác định rõ ràng ngưỡng chuyển hoá với các dòng giống địa phương có các đặc tính mà dòng EGMS cần bổsung

2- Trồng F1 ở điều kiện bình thường để thu hạt

3- Chọn cây bất dục ở thế hệ F2 trong điều kiện nhiệt độ cao và ngày dài

4- Thế hệ F3 trồng theo dòng ở điều kiện thích hợp Đến giai đoạn mẫn cảm thì chuyển vào nhà sinh trưởng để xử lý với chế độ T hoặc P theo mục đích chọn EGMS

5- Thế hệ F4-F6 trồng trong điều kiện hữu dục bình thường để chọn một số đặc tính khác như: chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, chống chịu sâu bệnh, tỷ lệ thò vòi nhuỵ, chất lượng hạt

6- Thế hệ F7 trồng trong nhà sinh trưởng nhân tạo với ngưỡng chuyển hoá bất dục T và P được thiết lập theo mục đích chọn EGMS Chọn những cây bất dục hoàn toàn sau đó duy trì bằng chét để lấy hạt Hạt này dùng cho nghiên cứu tiếp theo trên đồng ruộng và trong nhà sinh trưởng

Qui trình chọn dòng EGMS của Mou T.M (2000) [104] cũng tương tựqui trình của Yin Hua Qi nhưng có điểm khác là ở thế hệ F2 cần được trồng trên núi cao khoảng 800m so với mức nước biển, có nhiệt độ 240

C để chọn cây bất dục Sau đó các cá thể bất dục được duy trì bằng chét ở điều kiện nhiệt độ thấp dưới 240

C và ngày ngắn để thu hạt

Qui trình chọn dòng EGMS của Viraktamath B.C.(2000) áp dụng ởnhững nơi điều kiện môi trường không thuận lợi cho sự hữu dục hạt phấn nhưsau:

1- Chọn các dòng cho gen EGMS đã ổn định và được xác định ngưỡng chuyển hoá tính dục để lai với các dòng giống ở địa phương có các đặc tính mà dòng EGMS cần bổ sung

2- Trồng cây F1 ở điều kiện bình thường để thu hạt F2

3- Trồng quần thể F2 trong điều kiện ngày dài và nhiệt độ cao, chọn cây hữu dục mang nhiều đặc tính mong muốn của bố và mẹ

4- Từ đời F3 đến F5 trồng theo dòng trong điều kiện ngày dài, nhiệt độcao Chọn ở mỗi dòng 8 đến 10 cá thể hữu dục mang nhiều đặc tính mong

5- Trồng F6 cũng trong điều kiện ngày dài, nhiệt độ cao Chọn những cây bất dục sau đó trồng chét ở điều kiện hữu dục để thu hạt tự thụ

Theo Viraktamath B.C chọn dòng EGMS theo qui trình này nhằm thu được nhiều nhất dạng dị hợp tử có các tính trạng mong muốn, sau đó mới chọn cá thể bất dục đã kết hợp được nhiều tính trạng quí từ bố và mẹ [116]

Gần đây phương pháp lai tạo dòng EGMS mới đã đạt được thành công đó là việc chuyển gen tương hợp rộng (WC-Wide Compatibility) vào các dòng EGMS hiện có làm tiền đề cho việc khai thác ưu thế lai giữa các loài phụ Dòng EGMS mang gen tương hợp rộng có kiểu cây lý tưởng được công nhận đầu tiên ở Trung Quốc là Pei ai 64S Dòng này có nhiều đặc tính ưu việt nổi bật, cho ưu thế lai về năng suất cao ở nhiều tổ hợp lai (Gu M.H., 2000; Yang Z., et al, 1997) [73], [136]

2.3.2.3 Tạo dòng EGMS bằng phương pháp gây đột biến nhân tạo

Dùng các tác nhân vật lý hay hoá học tác động lên hạt giống khô hoặc hạt giống đang nảy mầm để gây đột biến Đột biến có thể tạo ra hàng loạt các dạng bất dục đực khác nhau (CMS, PGMS, TGMS, OGMS) Tuỳ theo mục đích sử dụng mà ta chọn các dạng bất dục cho phù hợp (Nguyễn Thị Gấm, 2003) [13]

Chọn vật liệu có nhiều đặc tính tốt để xử lý và trồng M1 Trồng M2 trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc ánh sáng dài để chọn cây bất dục Dựa vào phản ứng đặc trưng của chúng với nhiệt độ hoặc quang chu kỳ có thể lựa chọn được các cá thể TGMS hoặc PGMS Các khâu tiếp theo được thực hiện giống như phương pháp lai để chọn EGMS

Bằng phương pháp đột biến nhân tạo các nhà chọn giống đã chọn được nhiều dòng EGMS mới Ở Mỹ, người ta xử lý đột biến giống M201 đã chọn được dòng PGMS- M201S Ở Việt Nam, khi xử lý đột biến giống Chiêm bầu bằng tia gamma đã chọn được dòng TGMS - VN01 có nhiều đặc tính quí, tính bất dục ổn định (Phạm Ngọc Lương, 2001) [36]

Wu Dianxing và cộng sự (2003) gây đột biến dòng Pei ai 64S bằng tia gamma đã tạo dòng Pei ai 64S - a18 có đặc tính là trong giai đoạn 1-3 lá có màu bạch tạng, sau đó lại trở lại màu xanh bình thường Điều này đã giúp cho việc khử lẫn ngay trong giai đoạn mạ để nâng cao độ thuần của dòng mẹ, nhưng có nhược điểm là sinh trưởng của mạ trong giai đoạn này kém [128]

2.3.2.4 Tạo dòng EGMS với sự trợ giúp của công nghệ sinh học

Áp dụng phương pháp nuôi cấy bao phấn của cây lai F1 đã giảm bớt thời gian tạo mới các dòng EGMS và làm tăng sự ổn định về độ thuần của chúng Bằng phương pháp này người ta có thể cùng một lúc chọn được nhiều tính trạng khác nhau như chịu mặn, chịu hạn, chịu rét Dòng EGMS lưỡng bội có thể khác nhau về mặt di truyền với giống thường nên dễ cho con lai có ưu thế lai cao và đặc biệt ổn định về di truyền (Sun Z.X.,2000; Kalaiyarasi R., 2003) [113], [81]

Theo Zhu X.D (2000) bằng nuôi cấy mô đã thu được 91 thể lưỡng bội từ Pei ai 64S Theo dõi sự phân ly ở các thế hệ sau cho thấy: ở thế hệ thứ 2 đã xuất hiện 3 dạng khác nhau; dạng 1 - Peiai 64HS bất dục trên 99,8% và ổn định; dạng 2 - Peiai 64HF tỷ lệ hạt phấn hữu dục cao, bất dục không ổn định; dạng 3 - Peiai64HM bán bất dục và bất dục không ổn định, khoảng thời gian bất dục ngắn Thế hệ thứ 3 vẫn xuất hiện các dạng như thế hệ 2 nhưng dạng Peiai 64HS có tỷ lệ bất dục cao hơn [155]

Hiện nay sử dụng công nghệ sinh học đã tạo được các dòng EGMS có chỉ thị hình thái để sử dụng vào việc chống lẫn hạt giống dòng mẹ tự thụ trong sản xuất hạt lai như dòng M2S có lá và thân màu xanh sáng, dòng DHMPS3 có lá màu xanh tím (Zhu X.D., 2000) [155]

Yang R.C (2002) chuyển gen eui (elongated uppermost internode) vào các dòng CMS, EGMS và dòng R đã chọn được các dòng bố mẹ thoát cổbông cao làm giảm lượng GA3 khi sản xuất hạt lai F1 [135]

2.3.2.5 Nhập nội

Nhập nội các dòng sẵn có từ các Trung tâm nghiên cứu quốc tế hoặc các quốc gia khác nhằm đón đầu những thành tựu khoa học mới của thế giới Tuy nhiên do mỗi dòng có khả năng thích ứng với điều kiện của từng vùng nhất định nên sau khi nhập cần gieo trồng thử để tìm hiểu đầy đủ các đặc điểm sinh trưởng phát triển, đặc điểm bất dục, khả năng chống chịu Đặc biệt xác định ngưỡng chuyển đổi và thời điểm chuyển đổi tính dục Trên cơ sở đó đánh giá tuyển chọn những dòng ưu tú phù hợp với điều kiện sinh thái (Nguyễn Công Tạn và cộng sự, 2002) [45]

2.3.3.1 Tiêu chuẩn đánh giá

Để đánh giá một dòng EGMS tốt cần căn cứ vào tiêu chuẩn đánh giá của Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI): Các dòng mẹ được xếp loại tốt khi đạt điểm 1- 3 (thang điểm đánh giá 1 - 9), có tỷ lệ hạt phấn bất dục và tỷ lệ hạt không đậu đạt 99,0% và 99,9%; độ thoát cổ bông đạt trên 90%, tỷ lệ nhận phấn ngoài đạt trên 20%; tỷ lệ thò với nhuỵ trên 41%; tỷ lệ hạt phấn hữu dục ở F1 đạt trên 90%

Theo Yuan L.P (1995) có thể dùng các tiêu chuẩn đánh giá dòng CMS để đánh giá dòng EGMS Ngoài ra cần có một số tiêu chuẩn đặc thù để đánh giá như sau: [145]

- Có một quần thể đủ lớn với trên 1000 cá thể đồng nhất về các tính trạng nông sinh học như: Chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, số lá trên thân chính, đặc điểm hình thái, chống chịu sâu bệnh

- Tỷ lệ cây bất dục đạt 100% và ổn định qua các lần gieo, tỷ lệ hạt phấn bất dục cao hơn 99,5% và tỷ lệ hạt đậu trong bao cách ly phải rất thấp (0,5 - 0%)

- Giai đoạn bất dục trong điều kiện tự nhiên cần dài hơn 30 ngày Trong giai đoạn phục hồi hữu dục, tỷ lệ hạt phấn hữu dục cần đạt cao trên 30% Trong ruộng sản xuất hạt lai, tỷ lệ nhận phấn ngoài không được thấp hơn dòng CMS tốt

- Sự chuyển hoá hữu dục phải được kiểm tra cẩn thận để xác định rõ phản ứng của dòng với quang chu kỳ và với nhiệt độ

- Ký hiệu của dòng EGMS được qui định thống nhất là “S” để phân biệt với chữ “A” là ký hiệu cho dòng CMS

Theo Nguyễn Công Tạn và cộng sự (2002), đối với điều kiện Việt Nam tiêu chuẩn của một dòng EGMS cần bổ sung thêm: [45]

- Đối với dòng TGMS phải có điểm nhiệt độ tới hạn gây bất dục hoàn toàn > 260C, điểm nhiệt độ tới hạn gây hữu dục <240

C, giới hạn chuyển hoá bất dục sang hữu dục càng ngắn càng tốt

- Đối với dòng PGMS thì ngưỡng chuyển đổi tính dục 12 giờ 30 phút là thích hợp cho điều kiện Việt Nam

2.3.3.2 Phương pháp đánh giá tính ổn định của dòng EGMS

Đánh giá tính ổn định của các dòng EGMS cần phải thực hiện ở cảtrong điều kiện tự nhiên và điều kiện nhân tạo qua các bước sau: (Deng X.L.,1993; Sun Z.X., 2000) [68], [113]

1- Đánh giá ở nhiều thời vụ khác nhau tại địa điểm chọn tạo 2- Đánh giá trong nhà sinh trưởng nhân tạo (Phytotron)

4- Đưa sử dụng để tạo giống

* Phương pháp đánh giá trong điều kiện tự nhiên

Để đánh giá tính ổn định của các dòng EGMS người ta lợi dụng sự thay đổi nhiệt độ và độ dài ngày ở các mùa vụ gieo trồng khác nhau và các vùng khác nhau trong năm

- Đánh giá ở các mùa vụ gieo trồng khác nhau: Gieo dòng EGMS thành nhiều thời vụ, thời vụ sau cách thời vụ trước từ 10 - 15 ngày, mỗi thời vụ gieo 50 hạt/dòng, cấy 1 dảnh/khóm, 2 hàng/dòng có 3 đối chứng kèm theo đó là: 1 giống lúa lai tốt nhất, 1 dòng CMS và 1 dòng EGMS đang được sử dụng trong sản xuất Khi lúa trỗ tiến hành kiểm tra hạt phấn (3 ngày một lần) ở tất cả các thời vụ Căn cứ vào số liệu khí tượng để phân tích mối quan hệ giữa yếu tốkhí tượng và sự chuyển đổi tính dục của các dòng EGMS Tiến hành so sánh số liệu với các đối chứng để đánh giá dòng EGMS mới chọn tạo

- Đánh giá ở các vùng sinh thái khác nhau: Để kiểm tra tính ổn định vềphản ứng với nhiệt độ và quang chu kỳ của các dòng EGMS, xác định vùng sinh thái thích hợp để sử dụng chúng Quá trình đánh giá này được thực hiện sau khi các dòng EGMS đã đánh giá trong nhà sinh trưởng nhân tạo, thời gian thực hiện là 2 năm Cần chú ý, nơi làm thí nghiệm phải đại diện cho vùng sinh thái (Sun Z.X., 2000) [113]

Ưu điểm của phương pháp đánh giá trong điều kiện tự nhiên là không hạn chế số cây và số dòng làm thí nghiệm, ít tốn kém nhưng có một số hạn chế: (1)- do sự thay đổi về nhiệt độ và các yếu tố khí hậu khác diễn ra không đều giữa các năm nên việc đánh giá bị động; (2)- ảnh hưởng của độ dài ngày và nhiệt độ chồng chéo lên nhau nên không phân biệt tác động riêng của từng yếu tố

* Phương pháp đánh giá trong điều kiện nhân tạo

- Xác định thông số P và T để đánh giá: P được thiết lập sao cho có một thông số cho kết quả hữu dục và một thông số cho kết quả bất dục Thông sốT bao gồm nhiệt độ trung bình ngày, nhiệt độ tối thấp và tối cao T cũng được thiết lập như P sao cho ở nhiệt độ trung bình ngày cao thì bất dục và ngược lại Nguyên tắc thiết lập các thông số nhiệt độ cần phải phù hợp với số liệu khí tượng trong vùng và đặc điểm sinh trưởng phát triển của cây lúa

- Quản lý thí nghiệm và lấy mẫu: Gieo hạt bình thường, khi mạ được 5 lá đem trồng vào bầu nilon, cấy 1cây/bầu, xếp các bầu vào 1 thùng chăm sóc bình thường Có thể cấy mạ ở ruộng bình thường nhưng thưa, chăm sóc tốt, khi xử lý mới đánh cây trồng vào thùng Thời gian xử lý có thể kéo dài từ 8- 10 ngày, sau xử lý đưa cây ra trồng ngoài nhà lưới Khi lúa trỗ tiến hành lấy mẫu để kiểm tra hạt phấn

- Kết quả đánh giá: Nếu là dòng PGMS thì nó bất dục hoàn toàn trong điều kiện ánh sáng dài và hữu dục trong điều kiện ánh sáng ngắn và nhiệt độtrung bình Nếu là TGMS chỉ bất dục khi điều kiện nhiệt độ cao và hữu dục ởđiều kiện nhiệt độ thấp

Phương pháp đánh giá trong điều kiện nhân tạo có ưu điểm là phân biệt ảnh hưởng của P và T một cách riêng rẽ, độ chính xác cao Tuy nhiên phương pháp này chi phí cao, điều kiện trong nhà sinh trưởng có thể sai khác so với điều kiện tự nhiên Do vậy để đánh giá dòng EGMS cần kết hợp cả 2 phương pháp tự nhiên và nhân tạo Qua đó có thể chọn được các dòng EGMS tốt thích ứng với điều kiện khí hậu của vùng dự định sản xuất lúa lai (Nguyễn Công Tạn và cộng sự, 2002) [45]

Dòng TGMS có giai đoạn mẫn cảm từ bước 4-6, dòng PGMS có giai đoạn mẫn cảm từ bước 3-5 của phân hoá đòng non (các bước phân hóa xác định theo Đinh Dĩnh) Do vậy chọn thuần dòng EGMS không những phải chú ý tới đặc điểm nông sinh học, đặc điểm hình thái, khả năng chống chịu sâu bệnh mà còn phải chú ý đến đặc điểm bất dục: ngưỡng chuyển đổi, thời điểm chuyển đổi tính dục, đặc điểm hạt phấn (Sun Z.X., 2000) [115]

Kết quả nghiên cứu về di truyền tính ổn định ngưỡng chuyển đổi tính dục của các dòng EGMS cho thấy: ngưỡng này sẽ bị “trôi dạt” di truyền (genetic drift) theo hướng nâng cao lên sau mỗi thế hệ nhân Zeng và Zhang (2002) cho biết dòng Pei ai 64S ở thế hệ thứ 10 được sàng lọc bằng Phytotron đã phân lập được 4 dòng đẳng gen P2364S, P2464S, P2664S, P2864S có hầu hết các đặc tính giống nhau trừ ngưỡng nhiệt độ chuyển hoá khác nhau tuần tự là 230

C, 240C, 260C, 28OC Do vậy việc duy trì dòng EGMS vừa chú ý đến các đặc điểm hình thái, vừa phải duy trì ngưỡng chuyển đổi tính dục Đã có nhiều công trình nghiên cứu nhằm khắc phục hiện tượng “trôi dạt” ngưỡng chuyển đổi tính dục của các dòng EGMS bằng phương pháp sàng lọc trong buồng khí hậu nhân tạo Người ta xử lý các dòng EGMS ở ngưỡng chuyển đổi thấp hơn từ đó chọn những cá thể bất dục Các cá thể bất dục này được cắt chét và duy trì để lấy hạt tự thụ (Zeng H.L et al, 2002; Zhou C.S., 2000) [148], [156]

Sau đây là một vài mô hình chọn thuần dòng TGMS : * Mô hình của Deng Q., Fu X., Yuan L.P (1997) [69]

1- Chọn cá thể điển hình

2- Xử lý nhiệt độ thấp bằng ngưỡng nhiệt độ gây bất dục để chọn cá thể bất dục hoàn toàn

3- Duy trì chét để thu hạt tự thụ4- Sản xuất hạt giống tác giả