a. Bất dục di truyền nhân mẫn cảm nhiệt ựộ (genic male sterility - TGMS)
Gen kiểm soát tắnh bất dục nằm trong nhân tế bào là cặp gen lặn, kắ hiệu là tms. Gen tms hoạt ựộng với hai chức năng là ựiều khiển sự hình thành hạt phấn hữu dục, tự kết hạt khi gặp nhiệt ựộ thấp dưới ngưỡng chuyển ựổi tắnh dục và hình thành hạt phấn bất dục khi gặp nhiệt ựộ cao trên ngưỡng chuyển ựổi tắnh dục (Nguyễn Văn đồng, 1999, Dong S.L., Li J.C., Hak S.S., 2005).
Thời kì mẫn cảm diễn ra 18-10 ngày trước khi lúa trỗ tương ứng với giai ựoạn phân hóa ựòng từ bước 5 ựến cuối bước 6 là thời kì hình thành tế bào mẹ hạt phấn ựến khi kết thúc phân bào giảm nhiễm (Cheng S.H.,2000). Trong thời kì mẫn cảm của các dòng TGMS mà nhiệt ựộ ựang cao lại thấp xuống dưới ngưỡng tới hạn gây bất dục từ 2 ựến 4 ngày liên tục thì sẽ tạo ra phấn hữu dục với một tỷ lệ nhất ựịnh, ựủ ựể sinh ra tự thụ phấn (Cheng S.H.,2000).
Dòng TGMS có kiểu hình giống như lúa thường, khi lúa trổ ở ựiều kiện bất dục thì nghẹn ựòng từ 1/4-1/2 chiều dài bông, vòi nhụy dài, ựầu nhụy to phân ra nhiều nhánh, tỷ lệ vòi nhụy vươn ra ngoài vỏ trấu cao hơn các dòng
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 31 CMS, khi trỗ ở ựiều kiện hữu dục thì cổ bông thoát khỏi bẹ lá ựòng, vòi nhuỵ ngắn lại nên tỷ lệ thò vòi nhuỵ bên ngoài vỏ trấu ngắn hơn, ựây là những tắnh trạng tốt cần nghiên cứu ựể sử dụng trong sản xuất hạt lai F1(Trần Văn Quang, 2008).
Các dòng TGMS ựược chọn tạo và sử dụng trong nghiên cứu phát triển lúa lai thường có ngưỡng chuyển ựổi tắnh dục từ 23,5-26,50C. Các dòng có ngưỡng chuyển ựổi tắnh dục cao sẽ rất khó sử dụng ở Việt Nam do khi sản xuất hạt lai có nhiều ngày có thể nhiệt ựộ sẽ hạ thấp xuống dưới ngưỡng làm xuất hiện hạt hữu dục dẫn ựến tự thụ. Vì vậy, ựiều quan trọng nhất ựể một dòng TGMS sử dụng có hiệu quả là nhiệt ựộ gây bất dục phải khá thấp và sự chuyển hóa từ bất dục sang hữu dục và ngược lại phải triệt ựể. Các dòng ựược chọn ở nước ta có giới giới hạn chuyển ựổi tắnh dục an toàn là 240C, có nghĩa là trong ựiều kiện nhiệt ựộ từ 19-240C dòng TGMS sẽ hữu dục, nếu nhiệt ựộ lớn hơn 240C thì dòng TGMS sẽ bất dục hoàn toàn. Các dòng TGMS thuộc nhóm này là dòng T1S-96, 103S, T25S, T29S và VN01(Nguyễn Trắ Hoàn, 2007).
Theo Nguyễn Văn Hoan (2003), miền Bắc Việt Nam có 2 mùa lúa trong ựó có thời vụ có thể bố trắ nhân dòng và có thời vụ ựể bố trắ hạt lai F1. Khi bố trắ gieo cấy phải tắnh toán sao cho ở vụ Xuân thời kỳ mẫn cảm xảy ra từ 10/3- 30/3, ở vụ Mùa từ 15/10-20/11. Trong giai ựoạn này, dòng TGMS phân hóa thì sẽ trỗ bông vào thời kì tương ựối thuận lợi, trong ựó giai ựoạn từ ngày 10/3 ựến 30/3 là thuận lợi và chắc chắn hơn.
Nguyễn Thị Trâm (2005) cho rằng, trong ựiều kiện Miền bắc Việt Nam chỉ nên sử dụng các dòng TGMS ựể sản xuất hạt lai ở vụ Mùa vì vụ Mùa luôn có nhiệt cao, ổn ựịnh nên rất dễ bố trắ tuy nhiên vụ mùa lại hay gặp mưa bão. Sản xuất trong vụ Mùa phải bố trắ thời vụ sao cho lúa trỗ từ 28/8 ựến 10/9 là phù hợp. Nếu ựiều khiển trỗ muộn hơn 10/9 có thể gặp một số ngày lạnh sẽ làm cho dòng mẹ tự thụ, ảnh hưởng ựến chất lượng của lô hạt giống.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 32 Tắnh bất dục của dòng PGMS ựược kiểm soát bởi cặp gen lặn nằm trong nhân tế bào (pms). Gen này hoạt ựộng với hai chức năng: gây bất dục khi pha sáng trong ngày dài và có khả năng hình thành hạt phấn hữu dục khi pha sáng ngắn. Giai ựoạn mẫn cảm quang chu kỳ chỉ xảy ra khi dòng bất dục phân chia giảm nhiễm tế bào mẹ hạt phấn tương ứng với bước 4 ựến bước 6 của phân hóa ựòng, còn các giai ựoạn khác thì sự thay ựổi quang chu kỳ không gây ảnh hưởng ựến gen kiểm soát tắnh bất dục ựực (Nguyễn Thị Trâm, 2006; Jiang S., 2000).
Thời gian pha sáng dài hay ngắn là yếu tố chắnh gây nên sự bất dục hay hữu dục của hạt phấn, pha sáng chỉ ựược tắnh khi cường ựộ ánh sáng ựạt ắt nhất 50lux, giới hạn nhiệt ựộ cảm quang của các dòng khác nhau. Nhiệt ựộ ựóng vai trò rất quan trọng trong thời kỳ mẫn cảm của dòng PGMS, trong một giới hạn nhiệt ựộ nhất ựịnh thì ựộ dài ngày có thể không hiệu quả ựối với quá trình chuyển hóa tắnh dục của dòng PGMS (Lu X.G., 1994).
Một số kết quả nghiên cứu ở Trung Quốc cho rằng gen mẫn cảm quang chu kì có bản chất di truyền giống như gen mẫn cảm nhiệt ựộ (Trắch theo Nguyễn Công Tạn và cộng sự, 2002).
Mou T.M. (2000) và một số tác giả khác công bố: dòng PGMS bất dục hoàn toàn trong ựiều kiện tổ hợp ngày dài cùng với nhiệt ựộ cao và có phấn hữu dục trong ựiều kiện ngày ngắn cùng với nhiệt ựộ thấp. Sự thay ựổi tắnh dục ở dòng PGMS ựược mô tả bằng giá trị của hiệu lực ảnh hưởng P (Photoperiodic sensitive) và ảnh hưởng tương tác P x T ở mức ựộ tin cậy 95%. Hiệu lực ảnh hưởng của T (Thermo sensitive) thì không có ý nghĩa ở cả ựộ tin 95% và 99%. Do những ựặc ựiểm như vậy mà PGMS thường bất dục hoàn toàn ở mùa hè có ngày dài và nhiệt ựộ cao, hữu dục ở mùa thu có ngày ngắn và nhiệt ựộ thấp. Tuy nhiên, trong ựiều kiện ngày dài và nhiệt ựộ thấp hoặc nhiệt ựộ cao và ngày ngắn có thể xảy ra hiện tượng hữu dục từng phần. Các
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 33 dòng PGMS phù hợp với sản xuất lúa lai ở các tỉnh vùng núi phắa Bắc và Trung của Trung Quốc. Giai ựoạn mẫn cảm của PGMS xảy ra vào bước phát triển thứ 3 ựến thứ 5 của dòng, tức là khoảng 15-25 ngày trước trỗ (Cheng S.H., 2000; Mou T.M., 2000; Yuan L.P., 1997).
Các nhà chọn giống Trung Quốc ựã tìm ra ựược nhiều dòng PGMS: W1654S, 2877S, 9802S, 7001S, W9451S (Mou, et al, 1997; Deng X.J., 1997). Tuy nhiên, các dòng này chưa ựược sử dụng rộng rãi vì tiềm năng ưu thế lai chưa vượt trội so với các giống lúa Japonica và ngưỡng chuyển ựổi tắnh dục 13 giờ 45 phút là tương ựối cao, khó sử dụng ở các vùng có vĩ ựộ thấp hơn.
c. Ưu nhược ựiểm của hệ thống lúa lai hai dòng
Theo Nguyễn Thị Trâm, 2000, Nguyễn Văn Hoan, 2003 hệ thống lúa lai hai dòng có những ưu nhược ựiểm sau:
* Ưu ựiểm:
- Sản xuất lúa lai hai dòng ựơn giản hơn lúa lai ba dòng do khi nhân dòng mẹ không cần dòng duy trì bất dục (dòng B), chỉ cần tìm vùng sản xuất có ựiều kiện nhiệt ựộ (hoặc quang chu kỳ) thắch hợp ựể nhân, ựồng thời xác ựinh vùng và vụ có ựiều kiện thắch hợp và an toàn cho sản xuất hạt lai. Có nghĩa là trong trình tự sản xuất hạt giống ựã giảm ựược một lần lai so với hệ thống ba dòng.
- Phổ phục hồi của hệ thống hai dòng rộng hơn hệ thống ba dòng do tắnh bất dục ựực ựược kiểm soát bởi một cặp gen lặn trong nhân tế bào nên hầu hết các giống thuần ựều có khả năng phục hồi cho các dòng EGMS.
- Gen kiểm soát tắnh bất dục ựực mẫn cảm với ựiều kiện ngoại cảnh có thể lai chuyển sang các giống lúa khác làm cho nền di truyền của các dòng EGMS ựa dạng hơn sẽ khắc phục ựược hiện tượng ựồng tế bào chất của hệ ba dòng.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 34
* Nhược ựiểm:
Bên cạnh những ưu ựiểm thì lúa lai hai dòng cũng có một số hạn chế như: - Sản xuất hạt lai F1 hệ hai dòng vẫn phải tiến hành hàng vụ, phải ựảm bảo quy trình nghiêm ngặt như sản xuất hạt lai ba dòng. Quá trình sản xuất vẫn gặp nhiều rủi ro khi ựiều kiện thời tiết khắ hậu thay ựổi ngoài ý muốn.
- Các dòng TGMS rất mẫn cảm với nhiệt ựộ mà nhiệt ựộ lại biến ựổi thất thường dẫn ựến hạt lai năng suất thấp, ựộ thuần kém, không ựạt tiêu chuẩn chất lượng, ưu thế lai bị suy giảm gây thiệt hại cho sản xuất ựại trà.
- Các gen kiểm soát các tắnh trạng kinh tế chủ yếu là gen lặn nên ắt thể hiện tác dụng ngay ở thế hệ F1.
d. Các bước trong quá trình sản xuất hạt lai
Cũng tương tự như hệ thống lúa lai ba dòng, quá trình sản xuất hạt F1 lúa lai hai dòng phải trải qua 3 bước:
- Chọn lọc duy trì giống gốc các dòng bố mẹ (chọn siêu nguyên chủng) - Nhân dòng bố mẹ (siêu nguyên chủng thành nguyên chủng)
- Sản xuất hạt lai F1
* Bước 1: Chọn lọc duy trì giống gốc (siêu nguyên chủng) các dòng bố mẹ:
Các nhà khoa học Trung Quốc rất quan tâm ựến vấn ựề này và ựã giới thiệu một số phương pháp ựể duy trì dòng TGMS.
- Phương pháp 1: để chọn lọc thuần kiểu hình và duy trì ổn ựịnh ngưỡng chuyển ựổi tắnh dục của các dòng TGMS cần thực hiện 3 vụ liên tiếp như sau:
+ Vụ 1: chọn cá thể ựiển hình xử lý nhiệt ựộ thấp bằng ngưỡng nhiệt ựộ gây bất dục ựể chọn cá thể bất dục hoàn toàn nhân gốc chét các cá thể bất dục ựã chọn và ựánh giá ngưỡng theo hệ vô tắnh ựể thu hạt trên cây chét.
+Vụ 2: nhân hạt thu ựược từ các cá thể lúa chét ựã ựược kiểm tra ngưỡng nhiệt ựộ thành hạt giống tác giả.
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 35 + Vụ 3: sản xuất hạt nguyên chủng ựồng thời kiểm tra lại ngưỡng nhiệt ựộ chuyển sang sản xuất hạt lai F1.
- Phương pháp 2: Theo Zhou C.S. (2000) trình tự chọn siêu nguyên chủng dòng TGMS ựược thực hiện trong 5 vụ:
+ Vụ 1: Chọn cá thể ựiển hình trên ựồng ruộng, ựiều kiện nhiệt ựộ ở thời kì mẫn cảm là 240C, chọn cá thể bất dục 100%.
+ Vụ 2: Thu hạt, gieo các cá thể ựược chọn và xử lý nhiệt ựộ ở thời kỳ mẫn cảm trong ựiều kiện nhân tạo bằng 230C, chọn cá thể có tỷ lệ hạt phấn bất dục cao hơn 99,5%.
+ Vụ 3: Thu hạt, gieo các cá thể ựược chọn, tiếp tục xử lý nhân tạo ở nhiệt ựộ 220C, chọn các cá thể có tỷ lệ hạt phấn bất dục lớn hơn 99,5%.
+ Vụ 4: Nhân gốc các cá thể ựược chọn theo hệ vô tắnh. Thời ỳ mẫn cảm ựiều khiển cho nhiệt ựộ thấp hơn 220C ựể thu hạt tác giả.
+ Vụ 5: Nhân tiếp ra hạt nguyên chủng chuyển sang sản xuất hạt lai F1. - Phương pháp 3: Theo Yin Hua Qi (1993), thực hiện 3 vụ.
+ Vụ 1: Chọn các thể ựiển hình, xử lý các cá thể ựược chọn trong ựiều kiện nhân tạo, nhiệt ựộ bằng 240C ở hai giai ựoạn:
Giai ựoạn 1: bước 3 phân hóa ựòng, xử lý 4 ngày Giai ựoạn 2: bước 5 phân hóa ựòng, xử lý 4 ngày
Chọn các cá thể bất dục hoàn toàn, nhân vô tắnh gốc chét các cá thể bất dục ựược chọn, thu hạt giống gốc.
+ Vụ 2: Nhân hạt giống gốc thành hạt tác giả.
+Vụ 3: Nhân tiếp hạt tác giả thành nguyên chủng, chuyển sang sản xuất hạt F1.
Theo Nguyễn Trắ Hoàn (2002): ựể xác ựịnh ngưỡng nhiệt ựộ chuyển hóa cần tiến hành các thắ nghiệm trong ựiều kiện chủ ựộng, khống chế chắnh xác các thông số nhiệt ựộ, ánh sáng. Các chế ựộ xử lý phải thực hiện chắnh xác về
Học viện Nông nghiệp Việt Nam Ờ Luận văn Thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp Page 36 ựộ dài thời gian của từng chu kì. Trong trường hợp không có ựủ trang thiết bị cần thiết, có thể xác ựịnh ngưỡng nhiệt ựộ chuyển hóa và ựộ dài giai ựoạn chuyển hóa của từng dòng thông qua việc quan sát và xác ựịnh hệ số tương quan giữa tỷ lệ hạt phấn bất dục với nhiệt ựộ trung bình ngày của thời kỳ phân hóa hình thành bông non (Nguyễn Công Tạn, 2002).