1.5.1. Khái niệm
Nguồn gen - vật liệu khởi thủy cho chọn tạo dòng thuần ngô rất đa dạng, bao gồm các giống địa phương, giống tổng hợp, giống hỗn hợp, vốn gen, quần thể, giống thí nghiệm, gia đình và các loại giống lai. Để công tác tạo dòng đạt hiệu quả cao, đối với từng loại vật liệu ta phải áp dụng các phương pháp và độ lớn mẫu khác nhau và rõ ràng từng loại vật liệu cũng như những kết quả tạo dòng khác nhau. Những nghiên cứu rút dòng đầu tiên được tiến hành với các giống thụ phấn tự do (TPTD), thường người ta sử dụng giống có năng suất cao và có độ thích nghi tốt với các điều kiện trong vùng. Tần suất các dòng sử dụng được từ tập đoàn gen gốc là 0,13% (Hallauer, 1990)[43], cao hơn tần suất do Hallauer và Maranda (1988)[44] ước lượng từ những chương trình cải tạo giống ngô gần đây (0,01%). Về sau chọn lọc dòng từ các quần thể F2 và hồi giao đã ngày càng phổ biến như một phương pháp chọn lọc gia hệ (Pedigree selection) và trở thành phương pháp quan trọng nhất để tạo dòng tự phối. Theo Bauman (1981)[28], ở vành đai ngô Mỹ năm 1936, có tới 97,7% các dòng được tạo ra từ các giống TPTD, chỉ có 2,3% là dòng tái tạo chu kỳ 2. Tần suất dòng tái tạo chu kỳ 2 đã tăng lên 50% vào năm 1960, sau đó phần lớn dòng được phóng thích ở vùng vành đai là dòng tái tạo (Jenkins, 1978) [49].
Vật liệu khởi đầu là nền tảng của công tác chọn tạo giống cây trồng. Vật liệu khởi đầu càng phong phú, hiệu quả của quá trình chọn lọc và lai tạo càng cao[45]. Ở cây ngô có nhiều dạng vật liệu hơn so với loại cây trồng khác và độ biến động di truyền cũng có thể lớn hơn.
Nghiên cứu về nguồn vật liệu, các nhà khoa học đã đưa ra khái niệm chung như sau: Nguồn vật liệu mà tạo ra các thế hệ con cháu có khả năng chịu được áp lực tự phối, có khả năng kết hợp tốt, có ưu thế lai cao và tổ hợp lai của
22
nó với ít nhất một hay nhiều quần thể có tiềm năng năng suất cao, đặc điểm cây thích hợp, có gen tốt chống chịu sâu bệnh, có đặc tính tốt về phấn hoa và hạt thì được coi là nguồn vật liệu cho tạo dòng và giống lai.
Đến nay, các nhà nghiên cứu đều thống nhất rằng nguồn vật liệu tốt cho tạo dòng ngô rất đa dạng và phong phú, bao gồm:
- Các giống thụ phấn tự do như giống địa phương, giống tổng hợp, hỗn hợp, vốn gen, các quần thể và các giống thí nghiệm.
- Các thể loại giống lai như lai kép, lai ba và lai đơn.
Ngoài ra căn cứ vào nguồn gốc xuất xứ, nền di truyền và mức độ cải tạo di truyền của nguồn vật liệu, các nhà tạo giống chia ra thành các loại như:
- Nguồn vật liệu có nền di truyền rộng và hẹp; - Nguồn vật liệu đã qua cải tạo và chưa qua cải tạo; - Nguồn vật liệu nhiệt đới và á nhiệt đới;
- Nguồn vật liệu nhập nội;
- Nguồn vật liệu có nguồn gốc địa lý khác nhau.
Việc phân loại này giúp cho các nhà tạo giống hiểu biết sâu hơn về vai trò và tiềm năng của nguồn vật liệu, từ đó có sự lựa chọn nguồn vật liệu thích hợp cho việc tạo dòng đạt hiệu quả cao hơn.
1.5.2. Những đặc tính cơ bản của nguồn vật liệu
Nguồn vật liệu cho tạo dòng phải có những đặc tính nhất định:
- Có nhiều đặc tính nông học mong muốn; - Chịu được áp lực tự phối;
- Có khả năng tạo ra nhiều dòng tốt;
- Có khả năng kết hợp tốt với các nguồn khác.
Hầu hết các chương trình ngô quốc gia đều có đầy đủ thông tin về nguồn vật liệu đang được sử dụng làm cơ sở cho công tác tạo dòng và giống lai đạt hiệu quả cao.
23
1.5.3. Vai trò của nguồn vật liệu trong tạo dòng thuần
Vai trò và thành tích trong tạo dòng của các loại nguồn vật liệu khác nhau tuỳ thuộc vào tiềm năng của nguồn vật liệu và phương pháp tạo dòng mà nhà tạo giống đã áp dụng.
Bảng 1.5. Phần trăm (%) nỗ lực phát triển dòng thuần từ các nguồn vật liệu khác nhau [28], [42]. Nguồn gen Bauman (1981) Hallauer (1979) Điểm & nguồn % nỗ lực
% nỗ lực trong tương lai Hơn Giữ nguyên Kém
Giống TPTD - - 3 6 91 Giống tổng hợp 2,1 45 42 55 3 Lai đơn 1,9 22 26 55 19 Hồi giao 2,2 17 15 61 23 Lai kép 3,1 2 - - - Lai dòng chị em 1,9 15 - - -
Các giống tổng hợp cải thiện - - 59 41 0
Nguồn nhập nội - - 42 45 13
(Trong đó: Điểm từ 1 – 4; 1 là quan trọng nhất)
Nhận thức về tầm quan trọng của nguồn vật liệu trong tạo dòng của các nhà tạo giống ở từng thời kỳ có sự thay đổi lớn và các nhà tạo giống đã đạt được những kết quả khác nhau khi sử dụng nguồn vật liệu trong quá trình tạo dòng thuần và giống lai.
1.5.4. Các nguồn vật liệu để tạo dòng
Nguồn vật liệu là các giống thụ phấn tự do:
Giống TPTD là loại giống trong quá trình sản xuất hạt giống, chúng thụ phấn tự do không cần sự can thiệp của con người, còn gọi là thụ phấn mở (Open Pollinated Variety - OPV). Đây là khái niệm tương đối, nhằm phân biệt với các loại giống lai. Giống thụ phấn tự do bao gồm (Sprague, G. F, Eberhart, S. A, 1955) [74]:
24
- Giống địa phương (local variety): là những giống đã được trồng lâu đời ở một vùng sản xuất với tác động chọn lọc của người địa phương, chúng có một số đặc điểm sau:
+ Thích nghi với điều kiện khí hậu trong vùng;
+ Thích nghi với điều kiện canh tác và tập quán sản xuất ngô của dân
địa phương;
+ Phẩm chất tốt, phù hợp với thị hiếu và cách thức chế biến của dân địa phương, dễđể giống và dễ bảo quản;
+ Chống chịu tốt với điều kiện bất thuận ở vùng đó.
Vì vậy, giống địa phương được dùng làm vật liệu để lai với những nguồn nhập nội nhằm tạo ra các giống lai năng suất cao hơn và vẫn giữ các đặc tính tốt như trên (Ngô Hữu Tình,1999)[13]. Giống địa phương có giá trị lớn về tính thích nghi và khả năng chống chịu với ngoại cảnh. Phần lớn các dòng ngô tạo từ vật liệu địa phương có tính chịu hạn, chịu lạnh cao, có cấu trúc bắp tốt, chống chịu sâu đục thân khá do đó dòng ngô địa phương là nguồn quan trọng cho công tác tạo giống ngô trên cơ sở ưu thế lai (Tomov, 1990)[78].
Giống thụ phấn tự do cải tiến (improved variety): Giống thụ phấn tự do cải tiến bao gồm các giống tổng hợp và hỗn hợp có một số đặc điểm chính như hiệu ứng gen cộng sử dụng trong chọn tạo, có nền di truyền rộng nên thích ứng rộng, tiềm năng năng suất khá hơn các giống địa phương, độ đồng đều chấp nhận được, dễ sản xuất, giống được sử dụng 2 - 3 đời, giá giống rẻ.
Giống tổng hợp (Synthetic variety): Là giống lai nhiều dòng qua con đường đánh giá khả năng kết hợp chung của các dòng (Sprague, 1977)[73]. Giống tổng hợp được sử dụng đầu tiên trong sản xuất nhờ đề xuất của Hayes và Garber (năm 1919), Ngô Hữu Tình (1997)[19] thì sản xuất hạt giống ngô lai cải tiến, bằng cách tái hợp nhiều dòng tự phối, có ưu điểm hơn so với lai đơn, lai kép, vì nông dân có thể giữ được giống từ 2 - 3 vụ (Hallauer, A. R.,
25 Miranda, Fo. J.B, 1988)[45].
Giống tổng hợp còn là vật liệu tốt để rút dòng và nó được coi là giống của thời kỳ quá độ trước khi sử dụng giống lai (Lamkey, K. R. (1992)[54].
Giống hỗn hợp (Composite variety): Giống hỗn hợp là thế hệ tiến triển của tổ hợp các nguồn vật liệu ưu tú, có nền di truyền khác nhau. Nguồn vật liệu này bao gồm các giống thụ phấn tự do, giống tổng hợp, giống lai kép v.v.., được chọn theo một chỉ tiêu năng suất hạt, thời gian sinh trưởng, dạng và màu hạt, tính chống chịu với điều kiện ngoại cảnh. Theo G. F. Sprague et al (1955)[74], những giống ngô thụ phấn tự do cải tiến ra đời vào những năm 70 của thế kỷ 19 khi các nhà chọn giống tiến hành lai giữa các quần thể ngô với nhau và áp dụng các phương pháp chọn lọc đối với các quần thể mới (C. O. Garder, 1978)[38].
Nguồn vật liệu từ giống lai:
Giống ngô lai (Hybrid maize) là kết quả của việc ứng dụng ưu thế lai trong tạo giống ngô, có một số đặc điểm chính ( Stringfield, G. 1974)[75] như sau:
- Hiệu ứng trội và siêu trội được sử dụng trong quá trình tạo giống; - Giống có nền di truyền hẹp, thường thích ứng hẹp;
- Yêu cầu thâm canh cao, năng suất cao;
- Độđồng đều tốt;
- Cần có hệ thống sản xuất giống hoàn thiện nhưng hạt giống chỉ sử dụng
được một đời F1, giá giống đắt.
Nguồn vật liệu để tạo dòng thuần thay đổi mạnh trong suốt hơn 80 năm qua. Những nghiên cứu rút dòng ban đầu được thực hiện với giống thụ phấn tự do. Tuy nhiên, kết quả tạo dòng thuần từ các giống địa phương còn rất hạn chế do phần lớn các giống địa phương có năng suất thấp và suy giảm mạnh do áp lực tự phối, khả năng kết hợp thấp. Cho nên đến nay, các giống thụ phấn tự do ít được sử dụng để tạo dòng. Hiện nay, hầu như tất cả nguồn vật liệu cho tạo
26
dòng là các tổ hợp lai của các dòng ưu tú (dưới dạng F2, Backcross, giống tổng hợp được tạo từ các dòng ưu tú có quan hệ họ hàng hoặc không có quan hệ họ hàng nhưng cùng một nhóm ưu thế lai). Mỗi dạng vật liệu đều đã được sử dụng thành công, nhưng dạng F2, backcross và các tổ hợp lai là nguồn vật liệu được sử dụng phổ biến và hiệu quả hơn.
Giống tổng hợp được tạo thành từ 4 - 16 dòng ưu tú được coi là nguồn nguyên liệu tốt để tạo dòng thuần và có tầm quan trọng trong tương lai. Nguồn hồi giao được sử dụng trong trường hợp đặc biệt. Tuy không được đánh giá cao như nguồn vật liệu lai đơn và tổ hợp lai dòng chị em nhưng nguồn hồi giao sẽ được quan tâm trong thời gian tới. Các giống lai thương mại nhất là lai đơn là nguồn vật liệu được quan tâm hơn vì thành tích cao trong tạo dòng. Các nhà khoa học đã nêu lên cơ sở khoa học của việc sử dụng giống làm vật liệu tốt cho tạo dòng, đó là: Về mặt di truyền, giống lai đơn được tạo nên từ các dòng thuần tốt, có khả năng kết hợp cao, đã qua cải tạo và chọn lọc nên có khả năng chịu áp lực tự phối và khả năng tạo ra dòng tốt cao hơn.
Nguồn vật liệu đã qua cải tạo và chưa qua cải tạo:
Nguồn vật liệu đã được cải tạo cũng như chưa được cải tạo đều có thể được sử dụng để tạo dòng. Tuy nhiên, quần thể qua cải tạo có thể có khả năng chịu áp lực tự phối tốt hơn và khả năng tạo được dòng tốt cao hơn. Cải thiện nguồn vật liệu dường như là một phương pháp hiệu quả làm tăng tần số alen thích hợp mà chính alen này làm giảm ảnh hưởng của áp lực tự phối. Vì thế, những dòng tự phối được tạo ra từ những quần thể đã được cải tạo sẽ có sức sống và năng suất hạt cao hơn những dòng được tạo ra từ những quần thể chưa được cải thiện. Quần thể cải tiến là nguồn vật liệu tốt để tạo dòng. Xu hướng chính là sử dụng vật liệu đã qua cải tạo và chọn lọc.
27
Nguồn vật liệu có nền di truyền rộng và hẹp
Nguồn vật liệu có nền di truyền hẹp dường như chịu áp lực tự phối tốt hơn và là nguồn vật liệu quan trọng cho quá trình tạo dòng, chiếm tỷ lệ cao và cũng có tỷ lệ phần trăm lớn về thành tích tạo dòng. Quần thể có nền di truyền rộng cũng là nguồn cần thiết cho quá trình tạo dòng. Tuy nhiên, đạt được dòng ưu tú bằng phương pháp tự phối trực tiếp từ quần thể có nền di truyền rộng là cực kỳ thấp[26].
Nguồn vật liệu nhập nội
Nguồn vật liệu được đưa vào từ vùng sinh thái khác hoặc nguồn vật liệu mà chưa qua cải tạo để thích nghi với vùng sinh thái riêng biệt được gọi là nguồn vật liệu nhập nội. Qua chọn lọc tự nhiên, nguồn vật liệu này khác nhiều với nguồn vật liệu địa phương.
Nguồn vật liệu nhập nội có vai trò quan trọng trong chương trình tạo dòng và giống lai. Đây là nguồn biến dị di truyền phong phú, cung cấp bổ sung nguồn gen mới cho chương trình tạo giống. Sự tăng thêm nguồn vật liệu có đặc tính mong muốn có thể sử dụng vào tạo dòng và giống[29]. Nguồn vật liệu nhập nội sẽ được chú ý hơn trong tương lai.
1.6. Nghiên cứu vật liệu tạo dòng thuần ngô trên thế giới và Việt Nam
Phát triển dòng thuần có tiềm năng sử dụng làm bố, mẹ cho các giống ngô lai thương mại năng suất cao, ổn định là mục tiêu cơ bản của các chương trình cải tạo cây ngô. Tỷ lệ dòng thuần tạo ra được sử dụng trong giống lai cho sản xuất là rất nhỏ. Theo Hallauer và Miranda (1988)[45], thì có khoảng 72.000 dòng đã được tạo ra và thử nghiệm từ năm 1939, số dòng được sử dụng chỉ khoảng 0,01 đến 0,1 %. Smith (1989)[72] , kết luận rằng nguồn gen chính của vành đai Ngô Mỹ (Corn Belt) là bốn dòng B -73, A - 632, C103 và Oh - 43[58]. Vì vậy, công tác tạo dòng là công việc thường xuyên của nhà chọn giống.
28
1.6.1. Nghiên cứu nguồn vật liệu tạo dòng thuần ở Mỹ
Theo E. Rinke [68], trước đây ở Mỹ, dòng tự phối được tạo ra từ các giống địa phương. Sau này, dòng tự phối được tạo ra từ các cặp lai và quần thể cải tiến nhờ phương pháp chọn lọc phả hệ. Phương pháp này làm nền di truyền bị hẹp hơn và những giống lai ít dòng (2 dòng) được tạo ra và sử dụng trong sản xuất. Năm 1975, có 25 dòng tự phối được sử dụng ở Mỹ, trong đó có 19 dòng được tạo ra từ các giống lai và cặp lai ưu tú và 6 dòng được tạo ra từ quần thể. Các dòng được tạo ra từ các nguồn vật liệu và phương pháp khác nhau như: Mo17 được tạo ra từ tổ hợp lai (C103 x 187 - 2) bằng phương pháp chọn lọc phả hệ; B64 và B68 được tạo ra từ tổ hợp lai (41. 2504B x B14) với 2 lần lai trở lại với B14 bằng phương pháp phả hệ chọn lọc và chọn lọc cho khả năng chống sâu đục thân châu Âu; A632 được rút ra từ tổ hợp lai (Mt 42 x B14) với 2 lần lai trở lại với B14 và chọn lọc về tính chín sớm; B14, B37, B73 và B84 đều có nguồn gốc từ giống tổng hợp BSSS. Mặc dù có nhiều nguồn nguyên liệu ngô ở vành đai ngô Mỹ nhưng hai nguồn nguyên liệu được quan tâm hơn là Iowa Stiff Stalk Synthetic và Lancaster Sure Crop. Nhiều giống lai đơn có nguồn gốc từ 2 nguồn này được trồng gần 100% diện tích gieo trồng ở vành đai ngô Mỹ. Vì vậy, nhóm ưu thế lai của Iowa và Lancaster được sử dụng để tạo ra những dòng của những giống lai tiêu biểu như (B73 x Mo17).
1.6.2. Nghiên cứu nguồn vật liệu tạo dòng thuần ở Trung Quốc
Điều tra về nguồn vật liệu cho tạo dòng ở Trung Quốc (Peng Zebin và Chen Zehui, 1993)[65] cho thấy: Năm 1992 có 51,21% số dòng được tạo ra từ lai đơn, thành tích này ở các nguồn khác như: backcross, lai kép, giống thụ phấn tự do mỗi loại dưới 3%; giống tổng hợp, giống hỗn hợp và quần thể cải tiến đóng góp 15 %, lai ba đóng góp 10,44%. So sánh giữa năm 1983 và năm 1992 chứng tỏ kết quả tạo dòng của nguồn lai đơn và lai ba tăng rất lớn, các nguồn khác giảm mạnh.
29
1.6.3. Nghiên cứu vật liệu tạo dòng thuần ở Thái Lan
Trong 10 năm (1982 – 1992), Chương trình tạo giống ngô lai - Kasetsart University (KU), Thailand đã sử dụng các giống thụ phấn tự do như: SW1, SW3 và một số giống lai như Pacific 9, Pacific 11 làm nguyên liệu