1.2.1 .Tạo giống lúa ưu thế lai hệ ba dòng
1.5.1.Khái niệm khả năng kết hợp
1.5. Đánh giá khả năng kết hợp các dòng bố mẹ trong tạo giống cây trồng
1.5.1.Khái niệm khả năng kết hợp
Khả năng kết hợp là một đặc tính di truyền, được truyền tải qua các thế hệ, biểu hiện bằng giá trị trung bình của ưu thế lai ở tất cả các cặp lai và độ chênh lệch so với giá trị trung bình đó của một cặp lai cụ thể nào đó. Giá trị trung bình biểu thị khả năng kết hợp chung (General Combining Ability-GCA) thể hiện khả năng di truyền của một tính trạng của một giống trong các tổ hợp lai, đó là hợp phần di truyền cố định mà giống đó có khả năng truyền lại cho thế hệ sau. Còn độ chênh lệch giữa giá trị tính trạng của từng cặp lai cụ thể so với KNKH chung của 2 bố mẹ biểu thị KNKH riêng (Specific Combining Ability-SCA) xác định được khả năng thể hiện tính trạng của từng cặp lai cụ thể (Ngơ Hữu Tình, 1996).
Các nhà khoa học cho rằng, đánh giá KNKH thực chất là xác định tác động của gen và chia tác động gen liên quan đến khả năng kết hợp thành 2 loại: KNKH chung được kiểm soát bởi yếu tố di truyền cộng của các gen trội, đặc trưng cho hiệu quả cộng tính, cịn KNKH riêng được xác định bởi yếu tố ức chế, tính trội, siêu trội của các gen và điều kiện môi trường (Lê Duy Thành, 2001).
Để đánh giá khả năng kết hợp của các vật liệu tạo giống cần thiết phải lai thử các dòng bố mẹ và so sánh các tổ hợp lai. Do khối lượng công việc rất lớn và phức tạp, các nhà khoa học đã đưa ra những sơ đồ lai và các phương pháp đánh giá khả năng kết hợp khác nhau. Phương pháp lai đỉnh (topcross) thường được sử dụng ở giai đoạn đầu của quá trình chọn lọc. Khi số lượng dịng cịn q lớn cần xác định GCA thì lai chung cùng một dịng gọi là cây thử. (Ngơ Hữu Tình, 1996). Phương pháp lai trắc nghiệm (Line x Tester) được phát triển từ phương pháp lai đỉnh trên cơ sở sử dụng một số cây thử khác nhau để làm tăng độ chính xác của thí nghiệm (Sing, 1985). Phương pháp này đã giúp cho việc ước lượng giá trị GCA, SCA và khả năng di truyền một số tính trạng các vật liệu nghiên cứu.
Khái niệm KNKH cũng được Edgar (2007) đề cập là khả năng của một kiểu gen chuyển các tính trạng mong muốn đến con cái của nó. Khả năng kết hợp chung
là biểu hiện trung bình của một bố mẹ nào đó cho hàng loạt con cái mà nó tham gia vào tổ hợp lai. Khả năng kết hợp riêng là độ lệch biểu hiện của một tổ hợp trên cơ sở từ biểu hiện dự đoán được của GCA của bố mẹ.
Nhiều nghiên cứu cũng khẳng định rằng phân tích KNKH là một công cụ mạnh để xác định khả năng kết hợp của vật liệu tốt hay không tốt phục vụ cho lựa chọn bố mẹ phù hợp cho chương trình tạo giống cây trồng. Vì vậy thơng tin hoạt động của gen biểu hiện khả năng kết hợp là rất cần thiết. Tại thời điểm đó nó cũng giải thích hoạt động của gen liên quan đến di truyền các đặc điểm. KNKH chung có sự đóng góp của hiệu quả gen cộng tính và lấn át là lý thuyết đã khẳng định, mặt khác KNKH riêng có sự đóng góp của hoạt động gen khơng cộng tính có thể do trội hoặc lấn át hoặc cả hai. Sự biểu hiện của biến dị di truyền khơng cộng tính là cơ sở xác định bước đầu của chương trình tạo giống ưu thế lai (Kshirsagar, 2005).
Ước lượng GCA và SCA giúp nhà tạo giống xây dựng chiến lược tạo giống. Abelardo năm 2006 đã áp dụng mơ hình phân tích kiểu hai thành phân ngun lý (PCA) với F hoặc M x E (mẹ bình thường x F hoặc bố M x mơi trường (E) và kiểu ba thanh phần là F x M x E để xem xét phương sai GCA, SCA và tương tác của chúng với môi trường cho thấy rằng KNKH có tương tác với môi trường và khi phân tích cần xem xét phục vụ tạo giống cho điều kiện sinh thái khác nhau
(Abelardo, 2006). Những nghiên cứu hoạt động của gen và khả năng kết hợp chỉ ra
rằng hiệu quả GCA và SCA là rất quan trọng, hiệu quả GCA quan trọng hơn SCA.
1.5.2. Các mơ hình thống kê phân tích khả năng kết hợp
Gardner và Eberthart (1966) giới thiệu phương pháp phân tích lai diallel của các bộ giống cố định, nó có thể áp dụng cho bất kỳ bộ vật liệu nào. Bảng lai diallel gồm các tham số: trung bình qua các lần lặp lai trung bình của giống (μ); hiệu quả giống (Vi) trung bình ưu thế lai và sai số (εij). Hiệu quả mơ hình cố định của mơ hình Garhner và Eberthart (1966) của Griffing, 1956.
Gi =1/2Vi + hi và Sij
Mơ hình Garhner và Eberthart (1966) của lai diallel là mơ hình cơ bản cho hiệu quả di truyền, ngoài bố mẹ và con lai F1 còn các thế hệ khác nhau F2, lai trở lại và quần thể tự phối có thể phân tích.
Trong sơ đồ lai nhiều bố mẹ, giá trị trung bình lai thuận nghịch sử dụng trong phân tích phương sai sẽ khơng thật chính xác bởi vì ưu thế lai có thể đại diện 2 lần khi nhiều ơ thí nghiệm có giống bố mẹ, điều này là hạn chế ước lượng trong phân tích phương sai (Becker,1988).
Nhiều nhà thống kê cũng đã đưa ra mơ hình thống kê khác để phân tích KNKH như Isaias (1988) đã nghiên cứu ứng dụng mơ hình phân tích KNKH, hai mơ hình đã được sử dụng phân tích KNKH của các giống trong sơ đồ lai diallel từng phần gồm cả bố mẹ.
Virmani (2003) giới thiệu phương pháp thí nghiệm đánh giá KNKH của các dòng bất dục và dòng bố đối với lúa lai theo mơ hình Kempthorne 1957. Tác giả cho rằng chọn các dịng CMS và EGMS có kiểu hình chấp nhận và khả năng nhận phấn ngồi cao, dịng bố có khả năng phục hồi tốt thích nghi với mục tiêu chọn giống cho vùng cụ thể có thể sử dụng để đánh giá KNKH.
Khi phân tích kết quả nếu: Dịng bố mẹ có GCA dương thì có GCA cao hơn dịng bố mẹ có giá trị âm. Tổ hợp lai có SCA dương năng suất cao hơn đối chứng được chọn tổ hợp có triển vọng. Những dịng mẹ có giá trị GCA tốt được sử dụng làm dòng mẹ lai tạo với các dòng bố khác. Những dịng bố có giá trị khả năng kết hợp chung cao thì sử dụng lai với dịng mẹ khác. Tổ hợp lai có SCA cao thì đưa vào thí nghiệm khảo sát (Virmani, 1997).
Trên mơ hình sơ đồ lai Griffing và Hayman, Nguyễn Đình Hiền (1996) đã xây dựng “Chương trình Di truyền số lượng” ver 3.0, có khả năng phân tích KNKH của các dịng bố mẹ và con lai trên các đối tượng các loại cây trồng. Chương trình Di truyền số lượng này có thể ứng dụng trong chọn giống ưu thế lai, để thử khả năng kết hợp của dòng bất dục với các dòng R, nhưng lưu ý dịng bất dục khơng phải là một test nên phải phân tích như lai dialel. Dùng phương pháp lai đỉnh cũng vậy có thể nhận được GCA và SCA (Vũ Văn Liết, 2009).
1.5.3. Đánh giá khả năng kết hợp các dòng bố mẹ trong chọn tạo giống lúa lai
Đánh giá KNKH các dịng bố mẹ là cực kỳ hữu ích trong một chương trình tạo giống ưu thế lai, đặc biệt khi có nhiều dịng bố mẹ có ưu tú để chọn ra một số dòng
triển vọng. Phương pháp lai dòng line x tester (Kempthorme, 1957) thường được sử dụng cho mục đích này (Virmanir S.S, 2003). Anand Kumar (2008) nghiên cứu KNKH của 3 dòng CMS, kết quả cho thấy biểu hiện của cả gen cộng tính và khơng cộng tính, nhưng gen khơng cộng tính hoạt động ưu thế ở hầu hết các tính trạng. Tổ hợp lai IR8886 x Pusa1040 , IR58025 x Gautam, IR68886A x PSRM 1-16-48-1 biểu hiện có SCA tốt nhất về năng suất hạt và các tính trạng liên quan khác.
Kshirsagar R.M (2005) đã nghiên cứu xác định GCA của 4 dòng mẹ CMS và 10 dịng R trên 14 tính trạng trên cây lúa. Các dịng CMS này đã được làm thuần tại IRRI năm 1988-1989 (IR58025A, IR62829) và ở Ấn Độ. Kết quả có 3 trong dịng CMS: IR-68888A, IR68887A và IR-68886A biểu hiện KNKH dương ở tính trạng năng suất.
Shukla (2008) cho rằng các dịng TGMS có tiềm năng tạo bước nhảy vọt về năng suất và chi phí sản xuất hạt lai thương mại. Phân tích KNKH và ƯTL ở mơi trường phân bón tối ưu. Kết quả cho thấy dịng TGMS365-8S có GCA cao nhất năng suất hạt. Đối với tính trạng số bơng/cây và khối lượng hạt, xu hướng I/TJ >
I/I > I/J và I/I > I/TJ > I/J. Nghiên cứu cũng cho thấy rằng nguồn japonica cải tiến
và japonica nhiệt đới có gen tương hợp rộng với dịng TGMS thuộc indica, đây là cơ hội tốt để khai thác ưu thế lai giữa các loài phụ.
Tingbo Jiang lấy 49 giống ở các vùng sinh thái khác nhau lai thử với 4 dòng TGMS. Năng suất hạt của THL biểu hiện sai khác rõ rệt, đặc biệt ở ba chỉ tiêu quan trọng trong chọn giống, (i) số tổ hợp vượt qua đối chứng về UTL chuẩn và UTL thực. (ii) Giá trị UTL giữa indica-japonica cao hơn lai giữa hai kiểu sinh thái nằm trong cùng một loài phụ. (iii) Các kiểu sinh thái phản ứng tối ưu với bố có kiểu sinh thái khác trừ dòng mẹ LS2S (Kenneth,1993).
Shanka (2009) cho rằng sử dụng dòng TGMS chọn tạo lúa lai hai dòng hiệu quả hơn chọn tạo giống lúa lai ba dòng ở vùng lúa nhiệt đới. Khả năng kết hợp có sự khác nhau giữa các vùng sinh thái.
Sharma (2005) tiến hành nghiên cứu KNKH dòng TGMS và CMS có cùng nền di truyền. Vật liệu gồm hai dòng CMS: Peiai64A, 6311A và dòng Peiải64S.
Tiến hành lai kiểu bán diallel giữa 4 dòng mẹ bất dục với 6 dòng bố phục hồi. Kết quả cho thấy khả năng kết hợp dòng Peiải64S và Peiai64A tương tự nhau. Điều đó nói lên rằng dù là dịng thuộc loại TGMS hay CMS nhưng có nền di truyền giống nhau thì khả năng kết hợp tương tự nhau.
Nghiên cứu KNKH về sinh trưởng lúa được Wand Ji-feng và Lu (2008) tiến
hành nghiên cứu trên 84 tổ hợp lai của 7 dòng TGMS và 12 dòng bố. Kết quả cho thấy dịng TGMS18 and Peiải64S có giá trị GCA cao về 4 tính trạng: số nhánh/cây, chiều dài bông, số hạt/bông và năng suất cá thể.
Akram (2004) nghiên cứu KNKH của 7 giống lúa, phân tích khả năng kết hợp các tính trạng tỷ lệ nảy mầm, chiều dài rễ, chiều cao mầm và khối lượng chất khô. Biến động khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng ở mức có ý nghĩa ở tất cả các tính trạng, chứng tỏ rằng có cả hoạt động hiệu ứng cộng và khơng cộng tính của gen.
Akram (2008) tạo giống lúa lai nhờ sử dụng phương pháp KNKH. Trong nghiên cứu này tác giả phân tích khoảng cách di truyền (GD) của 9 dịng bố mẹ (5 dòng CMS và 4 dòng R) bằng SSR marker. Xác định mối tương quan SCA và GD qua đánh giá 20 tổ hợp lai (5 x 4 NCII) kết quả thấy mối tương quan SCA ưu thế lai chuẩn năng suất (r1=0,5609) và ưu thế lai trung bình (r2=0,541) có ý nghĩa, nhưng khơng có ý nghĩa GD (r=0,2143) và không thấy mối tương quan SCA và GD.
Nghiên cứu KNKH về khả năng chống chịu mặn, Pranah (2007) thí nghiệm 8 dịng bố mẹ và 28 tổ hợp lai gieo cấy trong 3 môi trường mặn khác nhau: Na+, Na/K và EC 9,0-9,5 dS/m. Kết quả giá trị GCA cao hơn SCA điều đó cho thấy gen cộng tính có ảnh hưởng đến khả năng chống chịu muối. Giống lúa Pokkali, Nonabokra và Binnatoa có GCA tốt. Hầu hết các tổ hợp lai có bố mẹ có GCA cao đều có khả năng chịu mặn tốt.
Để ước lượng KNKH của gen cộng tính ở lúa, Swamy (2003) tiến hành lai bán diallel phát hiện các dịng phục hồi có sự vượt trội về khối lượng 1000 hạt so với Minhui63, kết quả này cho thấy rằng sử dụng markers phân tử rất hữu hiệu trong chọn tạo giống lúa lai.
Đánh giá khả năng kết hợp của các dòng bố mẹ lúa lai trong tập đồn vật liệu của Viện Sinh học Nơng Nghiệp – Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội, Trần Văn Quang (2008) tiến hành lai các dòng cho phấn: R1, R2, R3, R5, R7 với các dòng mẹ: T1S-96, T47S, P5S và T4S. Kết quả cho thấy dịng bố R3 có giá trị GCA cao nhất (24,887) ở tính trạng số hạt/bơng. Dịng bố R1 và R7 có GCA ở khối lượng 1000 hạt, có giá trị tương ứng là 1,843 và 1,727. Dòng bố R1 có GCA cao nhất (4,823) về năng suất thực thu. Đối với dịng mẹ thì có dịng T47S có GCA cao nhất ở các tính trạng: chiều dài bông (0,965) khối lượng 1000 hạt (2,227) và năng suất thực thu (12,658). Còn đối với dịng P5S khơng có GCA với 5 dịng bố và 5 chỉ tiêu đánh giá trên. Tiến hành đánh giá khả năng kết hợp riêng (SCA) của 20 tổ hợp lai, kết quả cho thấy có 10/20 tổ hợp có SCA cao, trong đó tổ hợp T1S-96/R3 cao nhất (2,498) về tính trạng khối lượng 1000 hạt. Về tính trạng năng suất thực thu có 4 tổ hợp có giá trị SCA cao, trong đó tổ hợp T1S-96/R1 có SCA cao nhất (10,863).
Hoàng Văn Phần (1991) đánh giá KNKH của 10 giống lúa NN8, CR203, Nếp 415, CN2, VX1-2, NN75-10, CICA7, Tám đen Hải Phòng, VE 19, Tẻ hạt to. Kết quả cho thấy: các giống số 1, 2, 3, 4, 5, 8 và 9 có khả năng kết hợp chung cao từ 4-6 tính trạng trong số 9 tính trạng nghiên cứu. Về khả năng kết hợp riêng, các giống số 3, 5 có SCA cao từ 4 - 6 tính trạng, giống số 1 có SCA cao ở 7 tính trạng, giống số 2 có SCA cao ở 9 tính trạng.
Để khai thác một số dòng vật liệu dòng bố mẹ lúa lai hai dòng, tác giả Nguyễn Như Hải (2008) tiến hành đánh giá KNKH tính trạng năng suất, số bơng/khóm, số hạt/bơng của các dịng mẹ TGMS với các dòng bố: R36, ĐB5, ĐB6, ĐB2, ST1, MH1, Kim Cương 90, Khang Dân đột biến, R27 và E32. Kết quả dịng Peiai47S và TG1 có GCA ở tính trạng năng suất. Ngồi ra dịng TG1 cịn có GCA cao trên các tính trạng số bơng/khóm (0,14) số hạt/bơng (3,7) và cho con lai có ưu thế lai cao về năng suất và kiểu hình đẹp trong nhiều tổ hợp. Giá trị trung bình bình phương genotype tất cả các đặc điểm ở mức độ tin cậy cao (p < 0,01). Giá trị trung bình bình phương khả năng kết hợp của tất cả các tính trạng có ý nghĩa, tức là gen cộng tính và khơng cộng tính có liên quan tới các tính trạng này.
Swamy (2003) cho rằng ưu thế lai là thể dị hợp tử phụ thuộc vào sự đa dạng di truyền của dòng bố mẹ. Mà sự đa dạng di truyền có liên quan tới KNKH của các dòng bố mẹ là yếu tố quan trọng chọn tạo giống lai. Trên cơ sở dựa vào KNKH và phương pháp SSR markers nghiên cứu 2 dòng phục hồi MGR44 và MGR45B cải tiến từ giống Minhui63. Hai dòng này đã tiến hành loại bỏ các alen không thuận lợi, giữ lại những alen thuận lợi kết quả đã làm tăng GCA và SCA.
1.6. Tương tác kiểu gen với môi trường
Môi trường là những yếu tố tác động đến cây trồng tạo ra kiểu hình có giá trị sai khác với giá trị thực của kiểu gen. Tương tác kiểu gen G (genotype) và môi trường E (Environment) ký hiệu là GEI (Genotype x Environment Interactions). Là hiện tượng hai hay nhiều kiểu gen phản ứng khác nhau với sự thay đổi của môi trường (Paolo, 2002).
Thích ứng là khả năng thể hiện thích nghi của cây trồng cho sinh trưởng tốt, năng suất cao ổn định trong một môi trường hay một số mơi trường cụ thể nào đó. Theo Bernardo (2002) xác định về mức độ ổn định có thể đánh giá nhiều phương pháp, nhưng phương pháp thông dụng là hồi quy biểu hiện ảnh hưởng các môi trường lên kiểu gen (hay còn gọi là chỉ số môi trường). Nhìn chung chỉ số mơi trường là khơng vượt qua độ lệch trung bình kiểu hình tại mơi trường từ giá trị trung bình kiểu hình trên tất cả các môi trường.
Sự ổn định của nhiều loại cây trồng có thể được xác định trên mơ hình hồi quy, tiếp cận này có hạn chế: sự ổn định kiểu gen phụ thuộc các địa phương (môi trường) và các kiểu gen đó ổn định trong một loại mơi trường, nhưng có thể khơng ổn định với mơi trường khác, tương tự một kiểu gen ổn định nếu đánh giá với một loạt các môi trường khác nhau. Khi đó ổn định của giống có thể đánh giá bằng