2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA đỀ TÀI
2.3.2. Phương pháp tạo giống lúa lai hệ Hai dòng
Phương pháp tạo giống lúa lai hệ Ộhai dòngỢ dựa trên cơ sở phát hiện những vật liệu di truyền mới của cây lúa. đó là những dòng, mà hiện tượng bất dục ựực ựược kiểm tra bởi gen nằm trong nhân tế bào, loại gen này mẫn cảm với ựiều kiện môi trường. Các dòng này, khi lai với bất cứ dòng hoặc giống nào ựều cho con lai F1 hữu dục. Quá trình sản xuất hạt lúa lai F1, ựược ựơn giản hoá, không phải tổ chức một lần lai ựể duy trì dòng bất dục. Phổ
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 47
phục hồi của dòng mẹ rộng, có thể lai xa giữa các loài phụ với nhau nên, khả năng tạo ra năng suất rất cao. Tắnh bất dục của các dòng TGMS và PGMS, không liên quan ựến tế bào chất, vì thế ảnh hưởng của kiểu bất dục hoang dại ỘWAỢ ựược khắc phục. Hiện nay các nhà khoa học thế giới rất chú trọng ựến việc nghiên cứu, sử dụng dòng bất dục ựực chức năng di truyền nhân. Nó là công cụ ựể tạo ra các tổ hợp lai có năng suất cao, chất lượng tốt, thắch ứng rộng và có khả năng chống chịu với sâu bệnh hại.
* Khái niệm dòng bất dục ựực chức năng di truyền nhân
Dòng bất dục ựực chức năng di truyền nhân cảm ứng với ựiều kiện môi trường (Enviroment Sensitive Genic Male Sterile -EGMS). đó là những dòng lúa, biểu hiện hiện tượng bất dục hạt phấn khi sinh trưởng, phát triển ở ựiều kiện môi trường nhất ựịnh và hữu dục hạt phấn (có thể tự thụ) ở ựiều kiện khác. Hiện tượng này, lần ựầu tiên ựược phát hiện bởi Shi.M.S (1985) [94]. Dạng bất dục này có khả năng phục hồi hạt phấn dưới những ựiều kiện nhiệt ựộ và quang chu kì nhất ựịnh. Trong ựiều kiện môi trường, hai yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp ựến khả năng bất dục và hữu dục hạt phấn, ựó là thời gian chiếu sáng trong ngày và nhiệt ựộ trong giai ựoạn phân hoá ựòng. Dựa trên phản ứng với hai ựiều kiện trên, người ta phân thành dòng bất dục ựực cảm ứng quang chu kỳ và dòng bất duc ựực nhạy cảm với nhiệt ựộ Yuan.L.P và Xi.Q.F,1995 [112]. Bản chất di truyền của hiện tượng này là: do một cặp gen lặn trong nhân ựiều khiển và không có liên quan ựến gen trong tế bào chất. Do ựó, sự phân ly ở ựời sau của các tổ hợp tuân theo qui luật di truyền của Menden (Borkakati R.P và Virmani S.S, 1996) [93].
* Phát hiện và nghiên cứu dòng bất dục ựực cảm ứng chu kỳ quang (Photoperiodic- Sensitive Genic Male Sterile)
Năm 1973, theo dõi quần thể lúa Nong ken 58, Shi M.S, [94], ựã phát hiện ra một số cá thể bất dục khi trỗ bông trong mùa hè có thời gian chiếu
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 48
sáng dài trên 14 giờ/ngày. Ông thu chúng về trồng trong nhà lưới và nhận thấy, các chồi mọc sau ựó trỗ bông vào mùa thu (sau 5/9) khi thời gian chiếu sáng dưới 13 giờ 45 phút thì chúng ựậu hạt. đem lai nó với giống khác, thế hệ F1 hữu dục bình thường, nhưng ựến thế hệ F2, chúng phân ly tắnh trạng là 3:1 hữu dục và bất dục trong ựiều kiện ánh sáng ngày dài. Qua quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học Trung Quốc ựã kết luận rằng tắnh trạng bất dục của dòng lúa nêu trên là do một cặp gen lặn trong nhân ựiều khiển. Cặp gen này có 2 chức năng là ựiều khiển quá trình hình thành hạt phấn bất dục khi gặp ựiều kiện pha sáng dài và ựiều khiển quá trình hình thành hạt phấn hữu dục khi pha sáng ngắn.
Năm 1985, các nhà khoa học ựã xác ựịnh gen gây bất dục ựực của giống Nong Ken 58s là gen lặn pms nằm trên nhiễm sắc thể số 2. Lu. X và cộng sự, tiến hành lai Nong Ken 58s với giống thuộc loài phụ Japonica sau ựó ựể phân ly ở thế hệ F2, họ ựã chọn ựược một số dòng PGMS có gen gây bất dục từ Nong Ken 58s. Một số tác giả khác khi lặp lại thắ nghiệm này cũng thu ựược kết quả tương tự (Phạm Ngọc Lương, 2000). Nghiên cứu kỹ về tắnh bất dục ựực của dòng Nong Ken 58s Yuan L.P, 1994 và CS [110] cho biết dòng này cảm ứng mạnh vơắ ánh sáng và cảm ứng yếu với nhiệt ựộ. Cũng theo Yuan.L.P và cộng sự các dòng lúa PGMS mẫn cảm mạnh với ánh sáng từ giai ựoạn phân hoá gié cấp 2 ựến hình thành tế bào mẹ hạt phấn của ựòng non. Thời gian chiếu sáng tới hạn gây hữu dục hạt phấn <13 giờ 45 phút với cường ựộ ánh sáng lớn hơn 50 lux (Phạm Ngọc Lương, 2000).
Dòng Nong Ken 58s, là ựặc trưng cho dòng bất dục ựực dạng PGMS, các dòng bất dục này thuộc loài phụ Japonica, bất dục trong ựiều kiện ngày dài, nhiệt ựộ cao. Nó ựã ựược phát hiện ựầu tiên tại tỉnh Hồ Bắc - Trung Quốc nên còn gọi là dòng HPGMS. Các dòng PGMS có thể nhân duy trì, bằng cách ựể cho tự thụ trong ựiều kiện ánh sáng ngày ngắn và sử dụng làm dòng mẹ ựể
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 49
sản xuất hạt lai F1 trong ựiều kiện ánh sáng ngày dài.
* Những kết quả nghiên cứu về dòng bất dục ựực cảm ứng nhiệt ựộ (Thermosensitive Genic Male Sterile TGMS)
Năm 1988, Maruyama.K và cộng sự [85] ựã nghiên cứu và phát hiện ra dòng TGMS có tên là Anongs thông qua quá trình ựột biến tự nhiên. Dòng TGMS này sẽ bất dục nếu ở thời kỳ phân chia tế bào mẹ hạt phấn khi gặp nhiệt ựộ >270C và hữu dục nếu nhiệt ựộ <240C. Dòng Annongs là dòng TGMS ựược phát hiện ựầu tiên, những dòng bất dục này thuộc loại hình Indica. Chúng có khả năng bất dục trong ựiều kiện nhiệt ựộ cao, giới hạn ựể chuyển hoá bất dục - hữu dục dao ựộng từ 23 - 240C (Yuan.L.P, 1994) [116].
Năm 1989, Sun.Z.X và cộng sự [98], [99] ựã tạo ựược dòng TGMS có tên là 5460s từ quần thể ựột biến của giống lúa IR54. Sau ựó năm 1991 Maruyama K và cộng sự (1991) [85] cũng ựã tìm ựược dòng TGMS từ quần thể ựột biến Norin PC-12. Các tác giả trên ựều cho rằng, tắnh trạng bất dục ựực dạng TGMS ựều do những gen lặn trong nhân ựiều khiển [115]. Kinoshita.T., (1992) [80], ựặt tên cho gen TGMS của dòng 5460s và Norin PC-12 là tms-1 và tms-2. Các dòng TGMS có thể tạo ra bằng phương pháp ựột biến nhân tạo, Varmani.S.S và cộng sự (1991) [100], ựã thông báo là tạo ựược dòng TGMS mới bằng ựột biến phóng xạ từ giống IR3236 ựặt tên là IR3236s. Ngoài ra, còn rất nhiều nguồn TGMS khác ựược tạo ra bằng nhiều phương pháp khác nhau từ nhiều nước trên thế giới. Wang và cộng sự ựã tiến hành lai giữa dòng 5460s với Hong wan 52, sau ựó phân tắch tắnh di truyền ở thế hệ F2, tìm ra chỉ thị phân tử liên kết với gen tms, trên cơ sở ựó ựịnh vị ựược gen tms nằm trên nhiễm sắc thể số 8. Subudhi.P.K và cộng sự (1995) [97], ựã lập bản ựồ gen của dòng IR32364s, xác ựịnh gen tms-3 nằm trên nhiễm sắc thể số 6. Ngoài ra các tác giả còn tìm ựược mối liên kết giữa gen tms với các gen của ty thể trong tế bào chất. Khi nghiên cứu di truyền của
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 50
dòng TGMS-VN1, có nguồn gốc ựột biến từ chiêm bầu Việt Nam, Viện Di truyền Nông nghiệp ựã xác ựịnh ựược gen tms-4 nằm trên nhiễm sắc thể số 2, không cùng alen với các gen tms có nguồn gốc từ Trung Quốc [35].
Nguyễn thị Trâm, 2000 [63], cho biết: kiểu bất dục ựực chức năng di truyền nhân ựặc trưng cho loài phụ Indica là dòng Annongs-1, giới hạn ựể chuyển hoá từ hữu dục sang bất dục ở nhiệt ựộ từ 23-260C.
Theo Wu X.J, 1997 [104], việc chuyển hoá hữu dục của dòng Annong s-1 bị chi phối bởi nhiệt ựộ vào giai ựoạn từ 11-15 ngày trước trỗ bông và chịu sự ựiều khiển của gen lặn tms. Bằng phương pháp lai tạo, người ta ựã chuyển ựược gen này sang các giống khác, tạo ựược nhiều dòng TGMS mới, các dòng này ựang ựược sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc.
Qua thời gian nghiên cứu Borkakati, 1994 (theo Virmani.S.S, 1996) [101], có kết luận: Trong ựiều kiện gieo trồng tại Philippin, thời kỳ mẫn cảm với nhiệt ựộ của dòng TGMS từ 6-15 ngày trước trỗ, thậm chắ trong giai ựoạn mẫn cảm chỉ cần sử lý 1 giờ nhiệt ựộ cao cũng ảnh hưởng ựến ựộ bất dục của hạt phấn.
Yuang L.P và Xi. Q.F, 1995 [112], cho rằng thời kỳ chuyển hoá hữu dục của các dòng TGMS là từ khi hình thành tế bào mẹ hạt phấn ựến lúc phân chia giảm nhiễm tế bào mẹ hạt phấn. Các tác giả còn nhận xét: Quá trình chuyển hoá hữu dục của các dòng TGMS ựược gây ra bởi yếu tố nhiệt ựộ là chắnh, ựộ dài của ánh sáng có ảnh hưởng nhưng không ựáng kể.
Theo Nguyễn Thị Trâm, 2000 [62], thời kỳ cảm ứng nhiệt ựộ của dòng TGMS tương ựối ngắn và muộn. Nhiệt ựộ tới hạn gây bất dục và hữu dục của các dòng rất khác nhau. Có thể minh họa sự ảnh hưởng của nhiệt ựộ ựến sự biến ựổi chức năng gây hữu dục và bất dục của dòng TGMS như sau: Sơ ựồ ảnh hưởng của nhiệt ựộ ựến sự biến ựổi chức năng hoạt ựộng của gen tms.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 51
Bất dục Hữu dục do gen Chuyển Bất dục do gen Bất dục sinh lý tms ựiều khiển hoá tms ựiều khiển sinh lý to thấp to cao BLT CFP CSP BUT - BLT: Biological Lower Temperature (Nhiệt ựộ giới hạn sinh học dưới) - BUT: Biological Upper Temperature (Nhiệt ựộ giới hạn sinh học trên) - CFP: Critical Fetility Point (điểm nhiệt ựộ giới hạn gây hữu dục) - CSP: Critical Sterility Point (điểm nhiệt ựộ giới hạn gây bất dục) Sơ ựồ trên cho biết: Khi cây lúa sinh trưởng, phát triển trong ựiều kiện nhiệt ựộ thấp (dưới giới hạn thấp của nhiệt ựộ sinh học), dòng TGMS trỗ bông, không ựậu hạt ựược là do chức năng sinh lý bị tổn thương, chứ không phải do cơ chế di truyền. Nếu chúng sinh trưởng trong ựiều kiện nhiệt ựộ cao hơn nhiệt ựộ giới hạn sinh học dưới (BLT) thấp hơn ựiểm nhiệt ựộ tới hạn gây hữu dục (CFP) thì sẽ kết hạt bình thường và cho năng suất cao. Nếu dòng TGMS phát triển trong ựiều kiện nhiệt ựộ trên ựiểm tới hạn gây bất dục (CSP) và dưới ngưỡng nhiệt ựộ giới hạn sinh học trên (BUT) thì nó sẽ bất dục di truyền. Khoảng nhệt ựộ giữa CFP và CSP gọi là giới hạn nhiệt ựộ chuyển hoá, khi mà thời kỳ mẫn cảm của dòng TGMS chịu ảnh hưởng của nhiệt ựộ dao ựộng trong khoảng này thì bất dục không hoàn toàn. Vì vậy, khi nhân dòng TGMS phải ựiều chỉnh cho thời kỳ mẫn cảm không rơi vào khoảng nhiệt ựộ chuyển hoá ựể nâng cao năng suất hạt tự thụ. Nếu sản xuất hạt lai, vào thời kỳ mẫn cảm gặp nhiệt ựộ ở khoảng này sẽ ảnh hưởng ựến chất lượng hạt lai F1. Cũng theo Nguyễn Thị Trâm, 2000 [62] dòng TGMS bất dục khi gặp nhiệt ựộ cao hơn 270C vào thời gian từ 18-12 ngày trước khi lúa trỗ bông, tức là vào thời kỳ phân hoá gié ựến phân chia tế bào mẹ hạt phấn trong ựòng non. Dòng TGMS chuyển hoá từ bất dục sang hữu dục, khi nhiệt ựộ giảm xuống dưới 240C, chúng ta có thể lợi dụng ựặc ựiểm này ựể sản xuất hạt lai F1 trong ựiều
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 52
kiện nhiệt ựộ cao và nhân duy trì dòng TGMS ở ựiều kiện nhiệt ựộ thấp. để chủ ựộng ựiều khiển quá trình chuyển hoá từ hữu dục sang bất dục, các nhà khoa học ựã dùng nước có nhiệt ựộ cao (>28 0C) tưới cho dòng mẹ 4 ngày liên tục vào thời kỳ bắt ựầu cảm ứng trong quá trình sản xuất hạt lai F1. Phương pháp này làm cho dòng mẹ có ựộ bất dục cao, không ảnh hưởng tới ựộ thuần của hạt lai khi gặp nhiệt ựộ không khắ thấp hơn nhiệt ựộ gây bất dục (Xiao.G.Y, và cộng sự, 1997) [107]. Trung tâm nghiên cứu lúa lai Hồ Nam, Trung Quốc cho biết: Trong quá trình nhân dòng TGMS, dùng nước mát có nhiệt ựộ từ 19-210C tưới liên tục vào thời kỳ mẫn cảm, có thể thu ựược năng suất hạt tự thụ cao (19,1 tạ/ha), ngay cả khi nhiệt ựộ không khắ cao tới 34- 350C [107]. Tại Viện Di truyền Nông nghiệp Việt Nam, các chuyên gia ựã áp dụng việc dùng nước mát lấy từ giếng khoan tưới liên tục cho dòng TGMS ở thời kỳ mẫn cảm và thu ựược tỉ lệ kết hạt khá cao. Từ phương pháp này có thể nhân ựược dòng TGMS trong các mùa vụ thắch hợp, kể cả khi có nhiệt ựộ không khắ cao.
Dựa trên cơ sở bản chất di truyền của dòng TGMS, và các tài liệu khắ tượng thống kê ựược trong nhiều năm qua, ở miền Bắc nước ta có hai gia ựoạn mà nhiệt ựộ môi trường có thể phù hợp ựể nhân dòng TGMS, ựó là giai ựoạn 10-30/3 và 15-25/10. Dòng TGMS phân hoá vào 2 giai ựoạn trên và sẽ trỗ bông vào giai ựoạn tương ựối phù hợp, trong ựó giai ựoạn 10-30/3 là thuận lợi và chắc chắn hơn (Theo Nguyễn Văn Hoan, 1999) [19]. Như vậy, chúng ta có thể bố trắ nhân duy trì dòng TGMS trong vụ đông xuân và bố trắ sao cho lúa trỗ trước ngày 15/4.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng: Giới hạn ựể gây chuyển hoá hữu dục an toàn ở nước ta là 240C, ựiều này có nghĩa là trong ựiều kiện nhiệt ựộ từ 19-240C, dòng TGMS sẽ hữu dục, nếu nhiệt ựộ trên 260C dòng TGMS sẽ bất dục hoàn toàn. Những dòng TGMS của Trường đại học Nông nghiệp I Hà
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 53
Nội: T25S, T27S, T29S, T1S96, 103S và dòng VN01 của Viện Di truyền Nông nghiệp ựược tạo ra trong thời gian qua thuộc nhóm này (Nguyễn Văn Hoan, 1999) [19]. Dòng bất dục ựực chức năng di truyền nhân (TGMS), Pei ải 64S có nhiệt ựộ chuyển hoá từ 23,30C ựến 25,50C (Doãn Hoa Kỳ,1996) [34].
Khi nghiên cứu về sản xuất hạt lúa lai F1 hệ hai dòng tổ hợp bồi tạp sơn thanh (Nguyễn Thạch Cương, 2000) [10] cho biết: Quá trình sản xuất hạt lúa lai F1, phải chủ ựộng về nguồn giống bố mẹ, thực hiện trong vụ Mùa và ựiều khiển ựể chúng trỗ vào khoảng 25/8- 5/9 là tốt nhất.
* Những ưu ựiểm và hạn chế của lúa lai hai dòng
- Các dòng EGMS là những dòng bất dục ựực chức năng di truyền nhân, mang gen lặn ựiều khiển tắnh cảm ứng với ựiều kiện môi trường, vì thế trong việc nhân dòng bất dục không cần có sự tham gia của dòng duy trì (dòng B). Chỉ cần ựiều chỉnh thời vụ gieo các dòng bất dục sao cho thời kỳ cảm ứng (18-12 ngày trước trỗ bông) trùng vào ngưỡng nhiệt ựộ hoặc thời gian chiếu sáng phù hợp cho mỗi dòng là có thể thu ựược hạt tự thụ.
- Do tắnh bất dục ựực ựược kiểm soát bởi các gen lặn, nên hầu hết các giống lúa thường ựều phục hồi phấn cho các dòng EGMS. Như vậy việc chọn dòng phục hồi sẽ dễ dàng, phổ cập hơn, có thể mở rộng ra ngoài phạm vi của một loài phụ, khả năng tạo ra các tổ hợp có ưu thế lai cao nhiều hơn so với hệ ba dòng.
- Kiểu gen của các dòng EGMS dễ dàng ựược chuyển sang các giống khác tạo ra các dòng bất dục mới, với nguồn di truyền khác nhau tránh nguy cơ ựồng tế bào chất và thu hẹp phổ di truyền.
- Tắnh bất dục của các dòng EGMS không có liên quan ựến tế bào chất, vì vậy các ảnh hưởng của kiểu bất dục hoang dại ỘWAỢ ựược khắc phục, khả năng kết hợp giữa năng suất cao và chất lượng tốt ựược thực hiện.
Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội Ờ Luận văn thạc sĩ khoa học nông nghiệp ẦẦẦẦẦẦẦẦẦ. 54
trong chu kỳ sản xuất hạt giống, vì vậy có thể hạ giá thành.
- Do phạm vi chọn dòng bố mẹ rộng, nên cải tiến ựược chất lượng hạt thương phẩm, khả năng chống chịu và khả năng thắch ứng. Mặt khác dễ dàng