Cuốn sách Lai giống cây rừng (Hybridisation of forest trees) cung cấp một cách có hệ thống những kiến thức cơ bản về sinh sản của cây thân gỗ làm cơ sở cho lai giống, đặc điểm cùa giống lai và kỹ thuật lai giống, khảo nghiệm giống và nhân giông các giống lai cây rừng, cũng như một số kết quả nghiên cứu vê sử dụng giống lai tự nhiên và lai tạo giống mới cho các loài cây rừng ở Việt Nam nhờ sự hỗ trợ của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Nội dung sách được tổ chức thành 7 chương, mời các bạn cùng tham khảo.
VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM TRUNG TÂM NGHIÊN c ứ u GIỐNG CÂY RỪNG GS.TS LÊ ĐÌNH KHẢ \m Aa 32 Aa 32 Am ỉ NGUYEN ¡ỌC LIỆU m À XUẤT BẢN NÔNG NGHI a n LỜI NÓI ĐẦU Lai giống phương pháp chủ yếu tạo giống nông lâm nghiệp có suất cao th ế giới Lai giỏng rừng áp dụng Việt Nam ỉrong núm gần góp phấn đưa nãrỉg suất rừng túng lên đáng kể Đây vấn đề lâm nghiệp nhiều người quan râm Cuốn sách cô' gắng cung cấp cách có hệ ỉhống kiến thức sinh sản thân gổ làm sở cho lai giống, đặc điểm cùa giống lai kỹ thuật lai giông, khảo nghiệm giống vả nhân giông giống lai ỉ ừng, sô' kết nghiên cứu vê sử dụng giống lai tự nhiên vù ỉai tạo giống cho loài rừng â V iệt Nam nhờ hỗ trợ Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn, dự án SAREC ỉâm nghiệp Thuỵ Điển, dự án ACIAR lâm nghiệp Australia Đây tài liệu tham khảo cho nhà chuyên môn, nghiền cứu sinh sinh viên ngành Lâtn nghiệp cho quan tâm đến lĩnh vực lai giống rừng Trong trình biên soạn tác giả nhận cổ vũ giúp đỡ tận tình tập thể cán khoa học lãnh đạo Trung tâm nghiên cứu giống rừtìg (Viện Khoa học lâm nghiệp Việt Nam), ỷ kiến đóng góp quỷ báu PGS.TS Lê Huy Hàm, chityêìì gia lĩnh vực công nghệ sinh học, giúp đỡ tư liệu TS Chris Harwood Ớ T Ổ chức khoa học công nghiệp Australia (CSIRO), động viên lãnh đạo thầy cô giáo Trường Đại học Lâm nghiệp Nhân dịp tác giá xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành giúp đỡ cổ vũ quỷ báu GS.TS Lê Đình Khả MỞ ĐẦU KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA GIỐNG LAI TRONG LẢM NGHIỆP Giống lai giống tạo lai tự nhiên lai nhân tạo cá thể có kiểu gen (genotype) khác Giống lai thường có suất cao có tính chống chịu với điều kiện bất lợi tốt bố mẹ Vì thế, tạo sử dụng giống lai mối quan tâm hàng đầu nhà chọn giống nông lâm nghiệp giới Ngày nay, với phát triển khoa học chọn giống cơng nghệ sinh học người ta tạo nhiều dạng trổng đường khác gây đột biến, đa bội hoá, biến nạp gen v.v Song lai giống chọn lọc lai phương pháp chủ yếu để tạo giống trồng có nãng suất cao giới Có thể nói nửa số giống có suất cao sử dụng sản xuất nông nghiệp giống lai, lúc giống chọn tạo phương pháp khác lại có tỷ lệ thấp nhiều Mặc dầu lừ năm 1854 Klotzsch (dãn từ Piatnitsky, 1960) tạo giống lai Sồi (Quercus sp.,), song rừng có đời sống dài ngày, lâu hoa kết quả, chọn tạo sử dụng giống lai cho rừng khó khăn nhiều so với chọn tạo sử dụng giống lai cho nông nghiệp ngắn ngày, nên đến lâm nghiệp giống lai sử dụng so với nông nghiệp Đối với nơng nghiệp ngắn ngày, người ta tạo dòng trước lai giống chọn lọc lai nhiều hệ đổ tạo giống lai ổn định Người ta tạo dòng bất thu đực làm sở đé’ phát triển giống lai đời thứ vào sản xuất Song phương pháp khó áp dụng vào việc chọn tạo giống lai cho rừng Chĩnh mà Golodriga (1960) Wright (1976) cho ngạc nhiên hàng trăm giống lai loài gỗ tạo ra, song số sử dụng Nghiên cứu Golodriga (1960) lai giống Nho (Vitis vinifera) thấy 79 tổ hợp lai với 2844 lai tạo 22 có triển vọng Còn lai xa địa lý giống nho thuộc nhóm sinh thái địa lý khác 70 tổ hơp lai với 1820 lai có 46 êy có triển vọng Trước lai giống rừng chủ yếu phát triển châu Âu lai giống giống lai lâm nghiệp sử dụng nhiều nước giới cho loài kim rộng Những lồi có sử dụng giống lai nhiều lồi thuộc chi Thơng rụng {Larix sp.), Vân sam (Picea sp.ỵ Thông (Pinus sp \ Lãnh sam (Abies sp.), Sổi (Quercus sp.)t Dương (Popuius sp.), Bạch đàn (Eucalyptus sp.), Keo acacia (Acacia sp.) v v Riêng Brazil cến nãm 1987 có 5000 dong vơ tính bạch đàn lai tạo với 126 triệu hom giống lai Ecaìyptus uvophyìỉa X E granáis (Campinhos Ikemori, 1989) Từ kỹ thuật nhân giống sinh dưỡng phát triển, cho phép sử dụng ưu lai đời thứ trực tiếp vào sản xuất lai giống giống lai sử dụng rộng rãi lâm nghiệp VI thế, giống lai sử dụng chủ yếu lâm nghiệp phần lớn thuộc loài dễ nhân giống hom Dương (Popuiiis sp.,), Liễu {Salix spM) năm gần Bạch đàn (Eucalyptus spM) số loài khác Trong phải kể đến giống lai tiếng giống Dương lai Popuỉus X Euramericana I - 214 châu Âu, giống Bạch đàn lai Eucalyptus urophyỉỉa X E granáis Brazil Zobel Talbert (1984) cho "điểm mấu chốt việc sử dụng thành công tương lai hầu hết giống lai phụ thuộc vào phương thức nhân giống sinh dưỡng sử dụng sản xuất Có hạt lai thường khó đắt" Ngày nay, nhờ phát triển mạnh mẽ kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào giâm hom, nhân giống hàng loạt cho lai đời íhứ áp dụng rộng rãi sản xuất lâm nghiệp, trổng rừng dòng vơ tính cho giống lai cho phép tạo tăng thu tối đa cho rừng trồng, sử dụng biến dị khơng luỹ tích (non-additive variation) nhanh chóng cải thiện nguồn giống có sẵn (Evans, Turnbull, 2004), thực hoá tăng thu chất khồ lên 100 % cho giống bạch đàn lai so với giống bố mẹ Brazil (Assis, 2000) Vì sử dụng giống lai lâm nghiệp lại thuận lợi có triển vọng áp dụng vào sản xuất hiệu thời gian nhanh SỬ DỤNG GIỐNG LAI VÀ TRIỂN VỌNG LAI GIỐNG Ở VIỆT NAM • I ■ Giống lai tự nhiên phát Việt Nam giống lai tự nhiên Bạch đàn caman {Eucalyptus camaìduỉensis) Bạch đàn đỏ (£ robusta) Giống lai phát vào cuối nãm 1960 tỉnh miền Bắc tích thân gấp 3- lần loài bố mẹ (Lê Đình Khả, 1970) Đáng tiếc thời kỳ kỹ thuật nhân giống hom nước ta mức độ thấp nên giống lai phát triển vào sản xuất Phát giống Keo lai tự nhiên (Acacia mangium X A auriculiformis) năm 1990 nghiên cứu nhân giống, khảo nghiệm giống điện rộng chọn đòng Keo lai có suất cao gấp 2-3 lần giống keo bố mẹ Keo tai tượng Keo tràm (Lê Đình Khả, 1999, Lê Đình Khả cộng 2001) tạo nên chuyển biến rõ rệt công tác giống nước ta Keo lai tự nhiên nước ta khổng có suất cao, chất lượng thân tốt mà cịn có hiệu suất bột giấy lớn, lượng nốt sần rỗ cao nhiều so với loài keo bố mẹ, giống trồng rộng rãi Mặc dầu phát năm 1993, đến nãm 1995 trồng 160 đến cuối năm 2004 có 100.000 trồng nước Nghiên cứu lai xa ba loài bạch đàn Bạch đàn ưro (Eucalyptus ỉirophyllơ), Bạch đàn caman (£ camadulensis) Bạch đàn liễu (£ exserta) tạo tổ hợp lai có suất cao 1,5-3 lần giống bố mẹ tuỳ theo điều kiện lập địa cụ thể (Lê Đình Khả, Nguyễn Việt Cường, 2001) Một số giống lai xa Keo tai tượng (Acacia manỳum) Keo tràm 04 auricuỉĩỊormis) có ưu lai tạo năm gần nhờ lai xa (Lê Đình Khả, 2001, Nghiêm Quỳnh Chi, 2003, Nguyễn Việt Cường, 2005) Các nghiên cứu sinh học nở hoa lai giống số lồi thơng thực năm gần nhờ giúp đỡ dự án SAREC Thụy Điển tài trợ đả tạo số giống lai khác loài lồi Thơng nhựa {Pimis merkusii), Thơng đuồi ngựa (p massoniana), Thông ba {P kesiya) Thông caribê (P caribaea) Việc tạo giống lai mở hướng lai giống có định hướng chọn giống rừng nước ta Những nghiên cứu gần m m cho thấy giống lai khác lồi Bạch đàn urơ (Eucaỉyptus urophyĩỉa) với Bạch đàn pelita (£ peliita) có ưu lai cao so với bố mẹ chúng (Nguyễn Việt Cường, 2005) ứng dụng công nghệ sinh học vào lai giống hướng mới, rút ngắn thời gian chọn bố mẹ xác định ưu lai, chắn đưa lai giống phát triển nhanh chóng Nắm hiểu biết cần thiết lai giống, giống lai, tính chất giống lai, kỹ thuật lai giống khảo nghiệm giống lai giúp có hiểu biết cần thiết lĩnh vực chủ động tạo Hình GS Rod Grifín khu Keo lai tự nhiên năm tuổi lâm trường Tiên Phong giống lai góp phần (Thừa Thiên-Huế) có đường kính 27-29 cm, tăng suất chất lượng cao 26-29 ni rừng trồng nước ta • >; * Chương c SỞ SINH HỌC CỦA LAI GIỐNG (Biological basics of hybridisation) m ĐẶC ĐIỂM SINH SẢN Ở THỰC VẬT Để lai giống thành công phải hiểu cấu tạo hoa đặc điểm sinh sản thực vật thân gỗ Tất thực vật thân gỗ thuộc ngành Thực vật hạt trần hay ỉgành Thơng (Gynospermmae), ngành Thực vật hạt kín hay ngành Thực vật có ìoa, hay ngành Mộc lan (Agiospermae) Đặc trưng Thực vật hạt trần chưa có hoa thật mà có nón đực nón 'ải, thụ tinh thụ tinh đơn Còn đặc trưng Thực vật hạt kín có hoa hật (nên cịn gọi Thực vật có hoa) thụ tinh thụ tinh kép Các thực vật có q trình phân bào giảm nhiễm để tạo thành giao tử tực (c?) giao tử ( Ị ) có số lượng thể nhiễm sắc ln, nửa số lượng ế bào thể (2n) Qua thụ tinh giao tử đực giao tử kết hợp với tạo lên hợp tử n thể nhiẻm sắc bố mẹ ban đầu, khởi nguồn cho hình thành :ây LI Sự phát sinh gỉao tử đực giao tử cáì Thực vật hạt trần • m V i W « Q trình hữu tính tạo thành hạt Thực vật hạt trần diễn khác với rhực vật hạt kín Có thể xem xét q trình Thơng (hình 1.1, hình 1.2) :ây kim đại diện điển hình cho ngành L J , Phát sinh giao tử đực Thơng nón đực (giống hoa đực Thực vật hạt kín) kéo dài :ủa chồi nụ vảy màu vàng hình thành trục nón tiểu bào tử (microsporophyll) Dưới tiểu bào tử hai túi tiểu bào tử microsporangium), tức hai túi phấn Tế bào mẹ tiểu bào tử hình thành vào nùa thu năm trước đến mùa xuân năm sau phân chia giảm nhiễm tạo thành tiểu )ào tử (tức hạt phấn) đơn bội Hạt phấn có hai màng màng màng trong, vlàng có hai túi khí, lúc đầu chứa đầy chất nhầy sau chứa đầy khồng khí ịiúp cho hạt phấn bay xa hàng kilomet Tiểu bào tử tự phân chia tạo thành ỊÌao tử đực gồm tế bào sinh dưỡng, 1-2 tế bào nguyên tản (tế bào sinh dưỡng :ủa nguyên tản mau chóng tiêu biến) tế bào hùng khí (antheridium), tức tế >ào sinh due đưc ị 1.1.2 Phát sình giao tử Nón có màu đỏ nầm đầu cành non kim Nón lớn nón đực gồm vảy lớn đại bào tử (megasporangium) gọi hai túi noãn Trên túi noãn noãn tâm, tức tế bào mẹ đại bào tử Tế bào mẹ đại bào tử tiến hành phân chia giảm nhiễm để hình thành đại bào tử, ba bị tiêu biến cịn trở thành giao tử cái, tức tế bào trứng 1.1.3 Thụ tỉnh đơn Thụ tinh đơn thụ tinh mà tế bào sinh dục đực đơn bội (ln) kết họp với giao tử đơn bổi (ln) thành hợp tử lưỡng bội n thể nhiễm sắc Hình l.l Chu kỳ phát triển Thơng châirâu (Pỉnus silvestrìs) A Nón nón đực; B Một phần nón cắt dọc; c vảy nỗn túi nỗn; D Túi nỗn cắt dọc, Đ Một nón đực cắt dọc; E Lá tiểu bào tử cắt dọc; F Hạt phấn; I Hạt thơng cắt dọc; K vảy nỗn cắt dọc có hai hạt Cụm nón đực; Nón giai đoạn non; Nón chín; vỏ bọc; Lổ noãn; Noãn tâm; Nội nhũ (giao tử cái); Túi noãn,; ống phấn với tinh trùng; 10 Túi phấn; 11 Màng ngoài; 12 Màng trong; 13 Túi khí; 14 Tế bào sinh dưỡng; 15 Tế bào hùng khí; 16 Tế bào chân (tế bào rễ); 17 vỏ hạt; 18 Rễ mẩm; 19 Lá mầm; 20 Thân mẩm (Tutaiuk, 1980) Điểm đặc biệt kim có hoa đực hoa cái, song hình thái hoa khơng rõ ràng hạt không nằm vỏ nên gọi ngành Hạt trần, khác với Thực vật có hoa hạt nằm vỏ gọi ngành Hạt kín Thời gian từ bắt đầu có nón hoa đến hạt chín nhiều lồi kim gần hai năm, mùa xuân năm trước đến tháng nãm sau hạt chín hồn tồn Cuối mùa hè nụ chổi hình thành, mùa xuân nãm sau xuất nón đực nón khoảng tuần Sự thụ phấn xẩy có hạt phấn nón tiếp nhận hạt phấn Q trình phân bào giảm nhiễm nón xẩy sau thụ phấn Sự thu tinh xẩy vào mùa xuân thứ hai, năm sau thụ phấn Hạt phát triển, chín vài tháng rụng vào mùa thu' (hình 1.2) Một số lồi thơng p torreyana, p maxi martì nezii chí thời gian từ xuất nón đực nón đến hạt chín ba năm (Ledig, 1998) Ĩ agpbấaJ^7 THỤTINH M / Ị — ^ / PHẲNBÀO [ GĨẢM NHIỀM XI ) ĐẨU THÁNG ĐẨU THÁNG Lá tiểu bão từ ĐẨU THÁNG \ GIỮA.THÁNG J \ T hổgiaoiửcái—K ^ \ PHẲNBÀO Lj) Ỹ / Lá noãn \ PHẢT SINH PHỒITHAI THỤ PHÁN GIỮẢ t h n g v ~ \ Hat pton ũíctứ tử (telxiđs) Đ.1 bàotứ ‘O ỵ / N / Ị \ ìfjl Pbơi ĐẨU THÁNG ^ / Ph6i tam \ Nóo đưt ĐẨU MÙA XUÂN Vi HAT RUNG GIỬA THÁNG Hình 1.2 Chu kỳ sinh sản kim (Ledig, 1998) 1.2 Sự phát sinh giao tử đực giao tử Thực vật hạt kín 1.2.1 Sự phát sinh tiểu bào tử giao tử đực Quá trình hình thành tiểu bào tử (microsprogenesis) nhờ phân bào giảm nhiễm xẩy bao phấn thực vật có hoa gọi phát sinh tiểu bào tử hay phát sinh hạt phấn (hình 1.5) Tồn số nhị hoa gọi nhị Mỗi nhị có bao phấn, trung đới nhị Bao phấn có hai nửa hai túi phấn hay hai bao phấn nằm hai phía trung đới Các tế bào nguyên bào tử có nhân lưỡng bội lớn, gọi tế bào mẹ tiểu bào tử Tế bào mẹ tiểu bào tử tế bào chứa 2n thể nhiễm sắc, qua hai lần phân chia (lần đầu giảm nhiễm) tạo thành bốn tế bào có số lượng thể nhiễm sắc In gọi "tứ tử" “¿>ợ bổrí' (tetrad) sau phát triển thành "hạt phẩn" (pollen) Tuy vậy, số trường hợp trình phân bào giảm nhiễm binh thường bị phá hoại, nên đến giai đoạn tứ tử lại xuất "đa tử ' (polyad) với nhiều loại hạt phấn khác nhau, bên cạnh hạt phấn binh thường có số lưựng thể 10 nhiễm sắc chí nửa tế bào mẹ tiểu bào tử cịn hình thành hạt phấn có số lượng thể nhiễm sắc khác có kích thước khác nhau, không binh thường khác mà phần lớn bất thụ Đây tượng thường gặp trình hình thành tiểu bào tử đa bội (polyploiđ) Hiện tượng khác với tượng “dính phấn” (pollen lump) khối phấn (pollinium) trường hợp giai đoạn "tứ tử" tế bào hạt phấn lại dính với thành cục lớn gồm hạt phấn (có 16 hạt phấn) phát triển bình thường số họ Lan (Orchdaceae) họ Trinh nữ (Mimosoceae) (Atabekova, Ustinova, 1980) Hiện tượng dính phấn điển hình lồi keo Acacia mà Sedgley, Harbard &Smith (1992) coi polyad (thực chất pollinium) Hình 1.3 Hiện tượng polyad tượng dính phấn Trái: Tứ tử (tetrad) Đa tử (polyad) Fragaria vesca tứ bội (Lê Đình Khả, 1974) Phải: Hiện tượng dính phấn (pollinium) Acacia mangium nhị bội (Sedgley, Harard, Smith, 1994) í H ỉn h 1.4 Hạt phấn nẩy mầm hạt phấn ỞSyringa vulgarís (Tutaiuk, 1980) A Hạt phấn nhân; Hạt phấn hai nhân; c Hạt phấn nẩy mẩm I.Màng ngoài; màng trong; Nhân sinh sản; Nhâr sinh dưỡng; Hai tế bào tinh trùng ống phấn 11 Mỗi tiểu bào tử, tức hạt phấn bốn (tứ tử- tetrad), có hai màng bao bọc màng ngồi màng Khi hình thành khơng bào nhân chuyển dịch gần màng tiến hành phân chia nguyên nhiễm đầu tiẽn để tạo hai tế bào tế bào sinh dưỡng (lớn, có khơng bào) tế bào sinh sản (khơng lớn, có nhân đặc) Tế bào sinh sản (generative cell) tiến hành phân chia nguyên nhiễm hai lần để tạo thành nhân sinh dưỡng hai tinh trùng đơn bội ống phấn (hình 1.4) Hình dạng kích thước tinh trùng lồi thực vật khác không giống 1.2.2 Sự phát sinh đại bào tử giao tử Quá trình hình thành đại bào tử nỗn thực vật gọi phát sinh đại bào tử (macrosporogenesis) Trước xem xét hình thành đại bào tử cần hiểu cấu trúc nhuỵ nỗn (hình 5) Thực vật có hoa Tồn nhuỵ hoa gọi nhuỵ Nhuỵ đom gổm phận đầu nhuỵ, vòi nhuỵ bầu Trong bầu có nỗn (Xồi, Sơn trà, v.v.) số nỗn (các lồi họ Đậu) Sau thụ tinh noãn phát triổn thành hạt Trong noãn lại chia hai phần vỏ phôi tâm (nhân, phần trung tâm), v ỏ gồm hai lớp khồng liền tạo lỗ nỗn, n g phấn qua lỗ noãn để vào noãn Phần đối diện với nỗn hợp điểm Ở Hồ thảo nỗn khơng có cuống cịn họ Đậu nỗn lại có cuống Vị trí nỗn bầu lúc cố định Ở nhuỵ Kiều mạch lỗ nỗn nằm vịi nhuỵ phần trơn bầu, gọi ià nỗn thẳng giữ nguyên vị trí ban đầu lúc thụ tinh Song nhiều loài khác lúc đầu nỗn thẳng qúa trình phát triển, tăng trưởng khơng đều, nên thay đổi vị trí thường bị lộn ngược lại Lúc lỗ noãn bị chuyển chỗ gần 180° so với vị trí ban đầu, gọi noãn ngược, đặc trưng cho nhiều lồi hạt kín Ngồi ra, cịn có loại nỗn cong loại noãn khác T ế bào nguyên bào tử (archespore) khác với tế bào khác phơi tâm có kích thước lớn hơn, nhân hạch nhân to, tế bào chất đặc Tế bào nguyên bào tử sau phân chia hoậc qua vài lần phân chia thành tế bào mẹ đại bào tử (megaspore mother-cell) vào phân bào giảm nhiễm đổ tạo thành tế bào ln thể nhiễm sắc Trong bốn tế bào đại bào tử đơn bội có tế bào, thường phía dưới, phát triển trỏ thành tế bào mẹ túi phơi Cịn ba tế bào ngừng phát triển Túi phôi (embryio-sac) thường phát triển từ đại bào tử phía qua ba lẩn phân chia liên kiểu phân bào nguyên nhiễm Sau lần phân chia thứ tạo túi 12 chọn theo tiêu chuẩn trội có độ vượt trị số trung bình đám rừng lớn 30% vể đường kính 10% chiều cao, có độ vượt theo tiêu X + 1,3