CƠ SỞ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT part 4

Chia sẻ: Afsjkja Sahfhgk | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

173
lượt xem 63
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

ví dụ: A x B (xem Hình 4.3B). Tạo ra giống lai đơn có ưu thế lai cao là mục tiêu chính của thử KNKHR. Khi đưa các cặp lai đạt năng suất cao nhất vào thí nghiệm so sánh, nếu như vượt đối chứng thì tổ chức sản xuất hạt giống để thử nghiệm sinh thái nhằm tìm ra vùng phân bố của giống mới.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CƠ SỞ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT part 4

69 làm bố và một dòng làm mẹ, ví dụ: A x B (xem Hình 4.3B). Tạo ra giống lai đơn có ưu thế lai cao là mục tiêu chính của thử KNKHR. Khi đưa các cặp lai đạt năng suất cao nhất vào thí nghiệm so sánh, nếu như vượt đối chứng thì tổ chức sản xuất hạt giống để thử nghiệm sinh thái nhằm tìm ra vùng phân bố của giống mới. B
70 Hình 4.3 A- Vị trí và cấu tạo của cụm hoa đực, hoa cái và hạt ngô (Zea mays). B- Lai khác dòng kép ở ngô (Từ E. Levetin và K. McMahon, Botany Visual Resource Library © 1998 The McGraw-Hill Co., Inc.) • Giống lai ba Vì năng suất của hạt lai F1 thương phẩm (từ lai hai dòng) thường thấp, làm cho giá thành hạt lai rất cao. Để khắc phục hạn chế này, con lai đơn được sử dụng làm mẹ để cho lai tiếp với một dòng tự phối khác để tạo ra tổ hợp lai gồm ba dòng: A,B,C theo tuần tự: (A x B) x C. Năng suất của lai ba tuy không cao bằng năng suất của tổ hợp lai đơn nhưng giá thành hạt giống giảm đáng kể. • Giống lai kép Trong lai kép, F1 của một tổ hợp lai được dùng làm bố và F1 của một tổ hợp lai khác dùng làm mẹ. Khi đó năng suất hạt lai đạt được rất cao, làm cho giá thành hạt giống giảm xuống rất thấp đến mức người nông dân bình thường có thể dễ dàng mua được. Theo nguyên tắc, ưu thế lai trong các kiểu giống ưu thế lai được sắp xếp theo thứ tự sau: lai đơn > lai ba > lai kép > lai tổng hợp và giá thành thì ngược lại. Tuy ưu thế lai biểu hiện ở lai kép có thấp hơn nhưng so với giống tổng hợp và các giống giao phấn tự do khác thì vẫn hơn hẳn nên lai kép được ứng dụng rộng rãi ở cây ngô, còn các cây trồng khác chủ yếu sử dụng lai đơn (xem Hình 4.3B) IV. Sử dụng tính bất dục đực trong chọn giống ưu thế lai 1. Khái niệm bất dục đực Bất dục đực ở thực vật là hiện tượng cây không có khả năng tạo ra hoặc không phóng thích được những hạt phấn có chức năng. Hiện tượng bất thụ đực được chia ra một số kiểu sau: (i) bất thụ hạt phấn: không có hoặc có rất ít hạt phấn có chức năng; (ii) bất thụ đực do cấu trúc: nhị hoặc hoa đực dị dạng hoặc hoàn toàn không có; (iii) bất thụ đực chức năng: hạt phấn phát triển bình thường nhưng bao phấn không mở. Trong ba kiểu trên, kiểu đầu thường gặp nhất và có ý nghĩa quan trọng trong chọn giống thực vật. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng không có hạt phấn của kiểu bất thụ đực này là do tầng nuôi (lớp trong cùng của thành bao phấn) có cấu trúc dị thường hoặc không thực hiện được chức năng của nó dẫn đến làm rối loạn quá trình phát sinh tiểu bào tử (hay hạt phấn). A Ở các cây thụ phấn chéo có hoa đơn tính như: ngô, dưa hấu, dưa chuột v.v. việc khử đực thì thường không găp khó khăn. Đối với các cây có hoa
71 lưỡng tính thì muốn phát triển giống ưu thế lai cần phải có dòng mẹ bất dục đực mới có thể sản xuất hạt giống với giá thành chấp nhận được. Đặc điểm của dòng bất dục đực là cơ quan sinh dục cái phát triển bình thường, có khả năng tiếp nhận hạt phấn và tạo hạt lai bình thường, trong khi chỉ có cơ quan sinh dục đực là bất thường nên không xảy ra quá trình tự thụ phấn. Con lai thu được ở dòng mẹ bất dục đực có thể sinh trưởng - phát triển và cho ưu thế lai như con lai sản xuất theo phương pháp khử đực. Đến nay người ta đã phát hiện được nhiều hệ thống bất dục đực khác nhau ở thực vật, trong đó thành công nhất ở cây thụ phấn chéo là ứng dụng rộng rãi hệ thống bất dục đực tế bào chất (cytoplasmic male sterile: CMS), và ở một số cây trồng khác bất dục đực chức năng di truyền nhân cũng được ứng dụng thành công. 2. Các kiểu bất dục đực Dựa vào đặc điểm di truyền của nó, tính bất dục đực có thể chia thành hai nhóm chính: bất dục đực nhân và bất dục đực tế bào chất. (1) Bất dục đực nhân Bất dục đực nhân bắt nguồn từ đột biến ngẫu nhiên là hiện tượng thường gặp trong tự nhiên, với tần số khá cao. Ví dụ ở ngô, cà chua, lúa mì người ta đã biết đến khoảng hơn 40 gene gây bất dục đực. Theo Duvick (1966), tính bất thụ đực nhân có thể tìm thấy ở tất cả các loài lưỡng bội. Có thể dùng các tia phóng xạ hoặc một số hoá chất để gây bất dục đực. Tính bất dục đực nhân thường do một cặp gene lặn kiểm soát. Khi những cây bất dục đực nhân được thụ phấn bằng phấn của cây sinh sản bình thường thì F1 sinh ra đều hữu thụ. Nhưng ở F2 (do tự thụ phấn) thì cứ 3 cây sinh sản bình thường lại xuất hiện 1 cây bất dục đực. Tuy nhiên, tính bất dục đực cũng có thể do một số gene lặn (Drilscoll 1986) hoặc gene trội kiểm soát (Mathias 1985). (2) Bất dục đực tế bào chất Hiện tượng bất dục đực do tế bào chất kiểm soát được phát hiện đầu tiên bởi Correns năm 1904 ở Satureja, sau đó là Beteson và Gardner (1922) ở cây gai. Tuy nhiên, chỉ sau phát hiện của Khatjinov (1928) và Rhoades (1931) về hiện tượng bất dục đực ở ngô thì vấn đề này mới thực sự có ý nghĩa. Ngay sau khi phát hiện ra hiện tượng này, Khatjinov đã đề nghị ứng dụng nó vào thực tiễn, nhưng mãi 16 năm sau mới được thực hiện khi Mangelsdorf phát hiện lại tính bất dục đực tế bào chất từ một dòng ngô tự phối của thứ Goldenjun. Đột biến này đặc trưng ở tính bất dục hoàn toàn của hạt phấn và được di truyền lại theo dòng mẹ. Về mặt hình thái, cây bất dục đực và cây bình thường có một số điểm
72 khác nhau. Ở cây ngô, cờ của cây bất dục trơ trụi, bao phấn lép và bao phấn nhô ra khỏi gié không có trật tự từ trên xuống dưới như ở cây bình thường, hạt phấn thì nhăn nheo và không chứa tinh bột nên khi thử sẽ không có phản ứng màu xanh với iod (Hình 4.4). Trong điều kiện tự nhiên, do ảnh hưởng của điều kiện khí hậu khắc nghiệt như quá nóng hoặc quá khô... hạt phấn cũng có thể trở nên bất thụ; các đặc tính này rõ ràng là không di truyền được. Hình 4.4 Hạt phấn bất dục không chứa tinh bột nên khi thử sẽ không có phản ứng màu xanh với iod. Dựa vào nguồn gốc, bất dục đực tế bào chất (CMS) có thể được chia thành CMS đồng nguồn (autoplasmic) và CMS dị nguồn (alloplasmic). CMS đồng nguồn là trường hợp được hình thành do kết quả của những biến đổi ở bộ gene ty thể trong tế bào chất trong phạm vi một loài. Còn CMS dị nguồn là trường hợp được hình thành do kết quả của quá trình lai khác loài (do tính không tương hợp giũa bộ gene nhân của loài này với bộ gene ty lạp thể của loài khác chẳng hạn) hoặc do sự dung hợp tế bào trần khác loài. Trong số 140 loài được biết có hiện tượng CMS thì có 56% thuộc loại CMS đồng nguồn (Laser và Lersren 1972). Về nguyên nhân gây ra CMS có nhiều giả thuyết khác nhau: Atanasoff (1964) cho rằng, đó là do sự xâm nhiễm của virus, Mặc dầu những bằng chứng của giả thuyết này còn thiếu xác thực, nhưng các nghiên cứu ở cây đậu răng ngựa Vicia faba cho thấy CMS có quan hệ đến các phần tử kiểu như virus có trong tế bào chất, và tính ổn định của CMS có liên quan đến mật độ của các phần tử này (Berthaut 1990). Từ 1905, Rhoades đã từng cho rằng những biến đổi trong ty thể của tế bào chất là nguyên nhân gây ra CMS. Tuy nhiên, mãi gần đây nhờ vào kỹ thuật phân tích của sinh học phân tử, người ta mới chứng minh được rằng các đoạn phân cắt giới hạn do endonuclease tạo ra đối với DNA ty thể (mtDNA) của dạng hữu thụ và bất dục đực khác nhau. Điều này đã được tìm thấy ở nhiều loài cây như: củ cải đường, cao lương , cải dầu, hướng
73 dương, lúa, cà rốt v.v. Vì thế người ta cho rằng, chính hiện tượng tái tổ hợp xảy ra ở mtDNA (trong phạm vi phân tử hoặc giữa các phân tử) đã gây ra CMS (Hallden, 1990). Mặt khác, các phân tích hệ gene ty-lạp thể ở cây lai soma có tính CMS ở thuốc lá, bắp cải...cũng chứng minh cho nhận định rằng, CMS xuất hiện là do rối loạn chức năng của ty thể. Tuy nhiên, ở một số loài khác, CMS lại liên quan đến những biến đổi ở bộ gene của lục lạp (cpDNA), hoặc ít nhất những biến đổi này cũng có liên quan đến CMS như ở thuốc lá, bông hay cao lương. Về cơ chế di truyền kiểm soát tính CMS Rhoades (1931) và Edwardson (1953) là những người đầu tiên nghiên cứu hiện tượng di truyền CMS ở ngô. Lúc đầu người ta cho rằng sự hồi phục tính hữu thụ ở những cây bất thụ chỉ do sự thay đổi tính chất của tế bào chất mà không có sự tham gia của gene nào trong nhân. Tuy nhiên, sau này người ta thấy rằng, đặc tính di truyền chỉ theo tế bào chất rất ít gặp (hình như chỉ có kiểu bất thụ đặc biệt do Rhoades khám phá ra). Trong phần lớn trường hợp, sự hình thành tính CMS có sự tham gia của các yếu tố di truyền trong nhân và tế bào chất. Những công trình nghiên cứu về ngô cho thấy, có thể chia các dòng tự phối làm ba nhóm theo phản ứng của chúng với cây CMS, đó là: (i) Nhóm duy trì tính bất thụ: Các dòng thuộc nhóm này khi đem giao phối với cây bất thụ cho ra thế hệ con lai bất thụ. (ii) Nhóm phục hồi tính hữu thụ: Đó là những dòng khi giao phối với cây bất thụ cho ra con lai có khả năng sinh sản bình thường, nghĩa là chúng phục hồi tính hữu thụ ở cây bất thụ. Số kiểu gene có khả năng phục hồi hoàn toàn tính hữu thụ khi đem giao phối chúng với các dạng CMS là rất hiếm. Theo Duvick (1956) ở Mỹ chỉ có 5 - 10% số dòng tự phối ở ngô là có khả năng này. (iii) Nhóm phục hồi một phần: Khi đem các dòng trong nhóm này giao phối với cây bất thụ thì ở F1 thu được các cây bất thụ, bán bất thụ và hữu thụ bình thường. Sự tồn tại của ba nhóm kiểu gene trên khác nhau về phản ứng với dạng CMS chứng tỏ mối tác động tương hỗ phức tạp giữa tế bào chất, nhân và môi trường ngoài trong quá trình hình thành và di truyền các đặc tính này. Hiện nay ở ngô, người ta đã biết và nghiên cứu khá kỹ hai dạng bất thụ đực tế bào chất là T và M. Hai dạng bất thụ đực này không chỉ khác nhau về hình thái cờ hoa, mức độ bất thụ mà cả về phản ứng của chúng khi giao phối với các dòng tự phối. Cùng một dòng tự phối, khi giao phối với dạng bất thụ này cho ra con lai bất thụ nhưng khi giao phối với dạng bất thụ kia
74 lại cho ra con lai hữu thụ. Theo phản ứng đó, người ta chia các dòng tự phối ra thành những nhóm sau: - Các dòng phục hồi kiểu T nhưng lại củng cố tính bất thụ kiểu M (ví dụ dòng A344', N28) - Các dòng củng cố kiểu bất thụ kiểu T nhưng lại phục hồi tính hữu thụ kiểu M (A144', Co87). - Các dòng củng cố kiểu bất thụ đực kiểu T và M (VIR 29, VIR 40). - Các dòng phục hồi tính hữu thụ kiểu M và T (Ky 21, Mj). Hiện nay còn chưa có một quan niệm thật thống nhất về cơ chế kiểm soát di truyền đối với việc duy trì tính bất thụ và phục hồi tính hữu thụ, đặc biệt là về số lượng các gene trong nhân tế bào. Về cơ bản, hiện có ba giả thuyết chính: (i) giả thuyết đơn gene; (ii) giả thuyết hai gene; và (iii) giả thuyết đa gene. 3. Phương pháp sử dụng tính bất dục đực trong chọn giống ưu thế lai ở thực vật 3.1. Ứng dụng bất dục đực tế bào chất trong sản xuất hạt lai F1 Để không phải khử đực ở dòng mẹ (trong lai đơn) và con lai đơn làm mẹ (trong lai kép) thì con lai đơn làm mẹ phải bất dục còn con lai phải hữu dục bình thường. Dòng mẹ bất dục phải được duy trì và nhân lên để cung cấp đủ số lượng cho sản xuất hạt giống. Theo Jones và Clark (1943), dòng bất dục đực tế bào chất CMS chỉ bất dục đực khi trong tế bào chất chứa kiểu gene bất dục "S" và trong nhân chứa kiểu gene khống chế tính bất dục ở trạng thái đồng hợp thể lặn "rfrf". Khi lai giữa một dòng CMS có kiểu gene bất dục (Srfrf) với các dòng tự phối có đặc điểm di truyền khác nhau thì xảy ra các trường hợp phối hợp các kiểu gene sau đây: Ví dụ: Cây bất dục đực x cây bình thường Như vậy chỉ có kiểu gene Nrfrf, duy trì được kiểu gene bất dục Srfrf của dòng CMS, còn kiểu gene NRfRf và FrRfRf là kiểu gene phục hồi phấn cho dòng CMS. Khi đã có một tổ hợp lai tốt, người ta có thể chuyển gene bất dục đực tế bào chất cho dòng mẹ và gene phục hồi phấn cho dòng bố. Quá trình chuyển gene có thể bắt gặp các trường hợp sau: i) Dòng mẹ đã có sẵn gene duy trì bất dục trong nhân và dòng bố đã có gene phục hồi phấn. ii) Dòng mẹ không có gene duy trì bất dục trong nhân, dòng bố đã có
75 gene phục hồi phấn. iii) Dòng mẹ không có gene duy trì bất dục, dòng bố không có gene phục hồi phấn. 3.2. Ứng dụng hiện tượng bất dục đực chức năng di truyền nhân trong sản xuất hạt lai F1 Bất dục đực chức năng di truyền nhân được biểu hiện ra kiểu hình gắn liền với một điều kiện môi trường cụ thể. Người ta đã phát hiện và sử dụng một số dạng bất dục đực chức năng rất thành công ở một số cây thụ phấn chéo như sau đây. Ở cây dưa chuột, việc sử dụng dạng thuần cái: trong điều kiện bình thường dòng thuần cái chỉ có hoa cái phát triển bình thường, hoa đực bị teo rất sớm do thiếu hoóc môn nhóm auxin. Sử dụng GA3 ở nồng độ 70 ppm phun ở giai đoạn phân hoá hoa sẽ làm cho hoa đực phát triển bình thường và tiến hành tự phối để duy trì dòng thuần cái. Dòng thuần cái được kiểm soát bởi một cặp gene lặn nên có thể chuyển gene thuần cái dễ dàng sang các giống khác. Ở cây cao lương, cây lanh người ta phát hiện và sử dụng dạng bất dục đực chức năng di truyền nhân phản ứng với chu kỳ quang (photoperiod genic male sterile = PGMS). Ở điều kiện ngày ngắn, dòng PGMS hữu dục, lúc này người ta bố trí duy trì. Ở điều kiện ngày dài, các dòng PGMS bất dục, lúc này được dùng làm mẹ trong sản xuất hạt lai. Các PGMS được kiểm soát bởi một cặp gene lặn nên cũng rất dễ dàng chuyển gene sang các giống khác nhau. Tuy nhiên, chỉ ở các vùng mà ngày dài và ngày ngắn khác xa nhau giữa các mùa trong năm thì các PGMS mới có thể ứng dụng được. Nói chung, việc sử dụng hạt lai trong sản xuất đã được áp dụng thành công ở nhiều loại cây trồng như, ngô, cao lương, lúa, cà chua, cà rốt, hành, hướng dương, củ cải đường cũng như nhiều cây rau và cây cảnh. V. Cơ sở di truyền của ưu thế lai và phương pháp duy trì nó ở các thế hệ sau 1. Cơ sở di truyền của ưu thế lai Hiện tượng ưu thế lai đã biết từ lâu, ngay từ thời Koelreuter (1760) nhưng việc nghiên cứu về bản chất của nó thì còn ít. Vấn đề lý luận liên quan chỉ được bắt đầu chú ý từ những năm đầu của thế kỷ XX, khi xuất hiện những công trình thực nghiệm nhằm giải thích hiện tượng này của Shull (1911), East và Hays (1913). Cho đến nay có nhiều giả thuyết giải thích hiện tượng ưu thế lai dựa
76 trên cơ sở di truyền học. Dưới đây là ba giả thuyết được chấp nhận tương đối rộng rãi, đặc biệt là hai giả thuyết đầu. 1.1. Giả thuyết về tác dụng tương hỗ giữa nhiều gene trội (thuyết tính trội) Giả thuyết về tính trội do Jones đề xướng năm 1917. Tuy nhiên, những ý kiến đầu tiên đưa ra sự xác nhận về tác dụng bổ sung của các gene trội có lợi đối với hiện tượng ưu thế lai lại thuộc về Bruce, Keeble và Pellen (1910) rút ra từ các công trình thực nghiệm ở đậu Hà Lan. Giả thuyết này cho rằng, ưu thế lai là kết quả của sự tác động tương hỗ giữa nhiều gene trội có lợi cho sự sinh trưởng. Các tính trạng có lợi cho sự sinh trưởng của cơ thể do nhiều gene trội kiểm soát, còn các gene lặn tương ứng thì có tác dụng ngược lại. Quá trình tự phối dẫn dến sự đồng hợp tử hoá của hai loại gene này. Sự đồng hợp tử hoá các gene lặn dẫn đến sự suy thoái về sức sinh trưởng. Trong một dòng tự phối không chỉ tích luỹ hoàn toàn các gene trội có lợi. Kiểu gene của các dòng tự phối khác nhau sẽ không giống nhau. Khi đem giao phối chúng với nhau thì ở con lai xuất hiện nhiều gen trội tại các locus khác nhau, trong đó các gene trội lấn át sự biểu hiện của các gene lặn. Kết quả là xuất hiện hiện tượng ưu thế lai và có tính đồng đều ở con lai F1. Dưới đây là một ví dụ có tính chất minh hoạ: Có hai dòng tự phối, giao phối với nhau. Trong cấu trúc di truyền của mỗi dòng, giả sử có 5 vị trí gene khác nhau, đồng thời chỉ có một kiểu liên kết: Căn cứ vào giả thuyết này, sức sinh trưởng của con lai F1 là do kết quả tương tác giữa các gene trội. các con lai ở F1đều có kiểu gene như nhau. Bởi vậy, chúng có sự đồng đều về mặt hình thái. Dòng tự phối I nguyên chỉ có 3 vị trí chứa gene trội, dòng tự phối II cũng vậy. Cả hai dòng ngoài vị trí C ra, thì đều không giống nhau. Song ở con lai F1 thì có đến 5 vị trí gene chứa gene trội. Còn các gene lặn không có lợi thì không có điều kiện phát huy tác dụng . Ngoài ra, sự đồng hợp hoá về mặt kiểu gene do quá trình tự phối gây ra có thể giải thích được sự suy hoá của các dòng tự phối. Trong thực tế chọn giống, bao giờ người ta cũng hướng vào chỗ tạo ra những kiểu gene chứa nhiều gene trội nhất. Tuy nhiên, khó mà có thể tạo ra được những kiểu gene chỉ chứa toàn gene trội ở trạng thái đồng hợp tử AABBCCDDEE. Ngày nay ta biết rằng, trong trường hợp có nhiều gene ảnh hưởng đến sức sống của con lai thì khả năng thu nhận những cơ thể như vậy là rất nhỏ. Trong tự nhiên vẫn tồn tại các gene lặn, mặc dầu chúng luôn luôn bị đào thải do quá trình chọn lọc tự nhiên; và hơn nữa, giữa các gene trội và
77 gene lặn lại có một sự liên kết nhất định. Dùng giả thuyết này người ta có thể giải thích được hiện tượng thoái hoá của con lai ở các thế hệ tiếp theo sau F1. Đó là do kiểu gene ở trạng thái dị hợp tử của F1 qua quá trình tự phối hay giao phối với các dạng khác sẽ phân ly rất mạnh, tính đồng đều và sản lượng giảm sút. Ví dụ có một dòng tự phối ở dạng đồng hợp tử chứa một cặp gene lặn, kiểu gene aaBB và một dòng khác có kiểu gene AAbb. Khi cho hai dòng này giao phối với nhau, ta có con lai F1 là AaBb. Cho F1 tự phấn ta có F2. Theo quy luật phân ly của Mendel thì ở F2 số cá thể chứa cả 2 gene trội chỉ chiếm 9/16. Vì thế không phải tất cả các cá thể ở F2 đều có ưu thế lai. Đến các thế hệ F3, F4 v.v. thì số cá thể dị hợp tử giảm và số dạng đồng hợp tử tăng dần. Kết quả là sau thế hệ F1 ưu thế lai bị giảm sút. Do vậy, cho đến nay chưa có cách nào để duy trì ưu thế lai ở các thế hệ sau F1, và hàng năm người ta phải tạo ra con lai F1 để sử dụng trong thực tiễn sản xuất. Về lý thuyết, hiệu quả ưu thế lai còn chịu ảnh hưởng của mối tương tác giữa các gene trội không allele với nhau. Hiệu quả này giữ một vai trò quan trọng trong ưu thế lai và có liên quan đến khả năng kết hợp riêng của các dòng bố mẹ ban đầu. Mặc dù thuyết tính trội có tính phổ cập rộng rãi nhưng vẫn còn hạn chế trong khi giải thích một số trường hợp. Thực nghiệm ở ngô cho thấy sự tương ứng giữa sức sống của các dòng tự phối với số lượng các gene trội và khả năng kết hợp giữa các dòng tự phối lại không phù hợp với thuyết tính trội. Nói chung, các gene lặn không mang tính chất có hại mà chỉ có hại khi chúng ở trạng thái đồng hợp tử. Di truyền học quần thể xác nhận rằng, tính bão hoà của các quần thể tự nhiên bằng các gene lặn không có lợi ở trạng thái đồng hợp tử hoàn toàn không làm giảm ý nghĩa sinh học của các gene lặn trong việc duy trì mức độ thích nghi cao của các quần thể này. Có thể nói rằng các gene lặn không có lợi, thậm chí các gene gây chết ở trạng thái đồng hợp là một bộ phận cần thiết cho các kiểu gene của những quần thể thích nghi giỏi và chúng được duy trì một cách tích cực và thích hợp qua quá trình chọn lọc tự nhiên. Những công trình nghiên cứu ở ngô và lúa mạch của Vudvort và Turbin cho thấy rằng, sự loại bỏ những gene lặn ở trạng thái đồng hợp đã không cho thấy có một ảnh hưởng tích cực nào. Những dạng thu được bằng con đường như vậy có sản lượng không khác so với những dạng ban đầu và cũng không thấy có sự phụ thuộc giữa sản lượng với tần số bắt gặp của những tính trạng lặn. Thực ra, khi xem xét một cách khách quan thì quan niệm về các gene trội có lợi không phải chỉ là một giả thuyết mà là sự tập hợp của ít nhất của ba giả thuyết về hoạt động của các gene trội. Đó là: tương tác trội -lặn
78 trong mỗi locus; tác dụng tích luỹ giữa các gene trội; và tương tác giữa các gene trội không allele với nhau. 1.2. Giả thuyết về tính siêu trội Do việc giả thuyết về tính trội gặp khó khăn trong khi giải thích một số trường hợp về ưu thế lai, mà sau này giả thuyết tính siêu trội ra đời đã thu hút được sự chú ý của nhiều người. Theo giả thuyết này, chính bản thân tính dị hợp tử là nguyên nhân quan trọng của hiện tượng ưu thế lai. Vì vậy nó còn được là giả thuyết về tính dị hợp tử. Cơ sở của giả thuyết này là quan niệm cho rằng, trong một số sự kết hợp, mối tác động tương hổ giữa hai allele trong một locus có thể dẫn đến chỗ là, thể dị hợp tử Aa có sức mạnh vượt qua cả hai thể đồng hợp tử AA và aa. Nhiều thực nghiệm về đột biến thực nghiệm ở lúa mỳ và lúa mạch đã xác nhận điều này. Người ta giả thiết rằng, ở trạng thái dị hợp tử thì hai allele hoàn thành một số chức năng khác nhau và bổ sung cho nhau. Bởi vậy, khi có hiện tượng đa allele thì tính siêu trội chỉ xuất hiện ở những cặp allele rất khác nhau. Trong trường hợp siêu trội, người ta nói đến mối tương tác giữa các allele trong giới hạn một locus. Mỗi locus không phải chỉ có hai trạng thái trội và lặn mà còn có thể phân thành nhiều trạng thái trung gian nữa, khác nhau về cấu trúc và chức năng sinh lý. Ví dụ, một dòng tự phối có kiểu gene a1a1 giao phối với một dòng tự phối khác có kiểu gene a2a2 thì F1 sẽ có trạng thái dị hợp tử a1a2. Do giữa a1và a2 phát sinh tác dụng lẫn nhau mà mỗi sản phẩm do con lai tạo ra đều có hiệu quả cao hơn trạng thái đồng hợp tử a1a1 và a2a2 của bố mẹ. Kết quả là xuất hiện ưu thế lai. Ở đây giữa a1 và a2 không có quan hệ trội-lặn mà ngược lại, tác dụng bổ sung giữa chúng sẽ vượt qua hiệu ứng của tính trội hay tính siêu trội. Giả thuyết tính siêu trội là sự phát triển những quan niệm về tác dụng kích thích của tính dị hợp tử đã được Shull và East nêu ra từ rất sớm. Khi Shull và East nêu ra cách giải thích này thì vẫn còn chưa có các thực nghiệm chứng minh. Vì vậy, trong một thời gian dài nó không được thừa nhận. Sau này chính East là người đã phát triển giả thuyết này, và các dẫn liệu thực nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu khác đã xác nhận sự đúng đắn của nó. Hiện tượng ưu thế lai của con lai kép giữa các dòng ở ngô là một minh chứng cho sự đúng đắn của giả thuyết tính siêu trội. Những con lai kép như vậy thu được bằng sự giao phối giữa 4 dòng ngô tự phối khác nguồn gốc. Nếu như hiện tượng ưu thế lai của các con lai đơn giữa dòng dược
79 dùng làm bố mẹ cho con lai kép mà có thể giải thích bằng sự che phủ tác dụng có hại của các gene lặn bởi các gene trội tương ứng theo như giả thuyết tính trội, thì khi đem giao phối các con lai đơn với nhau do kết quả của sự phân ly và tái tổ hợp của các gene mà có thể hình thành nên một số rất lớn những cây đồng hợp tử lặn. Vì vậy, con lai kép sẽ luôn luôn có sức sống thua kém con lai đơn. Song, thực ra sức sống của con lai kép ở ngô lại không thua những con lai đơn tốt nhất. Điều này phù hợp với giả thuyết tính siêu trội. Khi mỗi locus có nhiều allele thì con lai có thể chỉ là những dạng dị hợp tử như là các con lai đơn. Chẳng hạn khi đem lai (A1 x A2) x (A3 x A4) sẽ hình thành nên 4 kiểu gene A1A3, A1A4, A2A3, A2A4. Mỗi kiểu gene ấy có thể chỉ là những dạng dị hợp tử như là những con lai đơn ban đầu. Thuyết siêu trội mặc dù đã được một số công trình thực nghiệm chứng minh, song quan niệm về mối phụ thuộc của sức sống của con lai vào tính dị hợp tử vẫn còn gây tranh luận. Một số dẫn liệu thực nghiệm đưa ra nhằm đối lập lại giả thuyết này. Chẳng hạn, ở cây tự thụ phấn các con lai có ưu thế lai không phải luôn luôn hơn hẳn các dạng bố mẹ đồng hợp tử về mặt sức sống và tính ổn định trong phát dục. Vì vậy, ở những dạng cây tự thụ phấn, nếu chỉ có dựa vào tính dị hợp tử không thôi, thì rất khó phân biệt được ảnh hưởng của tính siêu trội với hiệu quả tương tác giữa các gene không allele. Trong các công trình về lai diallele giữa các dòng tự phối, người ta thấy rằng hiện tượng siêu trội sẽ không xảy ra khi thiếu mặt sự tương tác giữa các gene không allele. Hơn nữa, khi mối tương tác ấy giảm đi thì hiện tượng siêu trội cũng giảm sút (bằng phương pháp phân tích toán học, người ta phân biệt được hai loại hiệu quả này). Như vậy, thuyết dị hợp tử đã chỉ ra được ý nghĩa quan trọng của tính dị chất đối với sự xuất hiện sức mạnh của con lai. Tính dị chất ấy được hình thành do kết quả của trạng thái dị hợp tử ở nhiều locus. Hiệu quả ưu thế lai cao sẽ xuất hiện khi giữa các allele của mỗi locus có sự khác nhau về mặt chức năng. Sẽ không đúng nếu cho rằng sự khác nhau giữa giả thuyết tính trội và tính siêu trội chỉ giới hạn ở sự tương tác giữa các gene allele và không allele. Điểm khác nhau lớn hơn là ở chỗ, thuyết siêu trội đem lại một ý nghĩa cơ bản cho sự hiện diện của các locus dị hợp tử, còn ở thuyết tính trội thì đó là mối tác động giữa các gene trội có lợi. Thuyết siêu trội mặc dù giải thích được nhiều trường hợp của ưu thế lai một cách rõ ràng, song nó không loại trừ được tất cả tính chất phức tạp của vấn đề. Đặc biệt, đến nay người ta đã tích luỹ được nhiều dẫn liệu trong việc tìm hiểu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến ưu thế lai. Những con lai có sức sống
80 và sản lượng cao chỉ xuất hiện trong những điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng nhất định. Ngoài ra, những đặc tính về tế bào chất của các dạng đem lai cũng có ảnh hưởng lớn đến ưu thế lai. Sự khác nhau về sức sống của con lai trong lai thuận nghịch đã chứng tỏ điều đó. Giả thuyết về tính dị hợp tử về sau được Emerson (1948, 1952) và Rendel (1953) phát triển theo một hướng khác và gọi là thuyết về cân bằng sinh lý. Emerson phát hiện ra rằng, ở nấm Neurospora, trạng thái dị nhân (heterokaryon) - trong một tế bào chứa hai nhân khác nhau, nhờ quá trình tiếp hợp giữa hai sợi nấm khác nhau - đạt tới trạng thái cân bằng khiến cho sức sống của nó bao giờ cũng cao hơn dạng đồng nhân. Các tác giả của giả thuyết này cho rằng, hai thể đồng hợp tử chứa những cặp allele giống nhau thì ít có lợi cho sự phát triển tối thích của cơ thể hơn là thể dị hợp tử. Rendel cho cơ sở của hiện tượng này là do mối tương tác giữa các sản phẩm được hình thành do hoạt động của các gene, mà chúng chính là những chất sinh trưởng. Ví dụ, thể dị hợp tử của hai dạng nấm đột biến ở Neurospora - một dạng có khả năng tổng hợp axit nicotinic, dạng kia có khả năng tổng hợp axit pantothenic - có thể sống được trong môi trường thiếu cả hai loại axit này. 1.3. Thuyết cân bằng di truyền Thuyết cân bằng di truyền, mà người đề xướng là Turbin (1962, 1971), được coi là một giả thuyết có khả năng liên kết được các luận điểm trong việc giải thích hiện tượng ưu thế lai. Thuyết này cho rằng ưu thế lai là một hiện tượng về tính ưu thế của con lai đối với mức độ phát dục tính trạng này hay tính trạng khác so với bố mẹ. Mức độ biểu hiện của tính trạng, tức kết quả của sự phát dục là đặc trưng cho quá trình này về mặt số lượng. Sự sai lệch trong quá trình phát dục của con lai so với bố mẹ có thể theo hướng tăng lên hoặc giảm đi (ưu thế lai dương hoặc âm). Thông thường ta chỉ nói đến ưu thế lai dương là do ý nghĩa thực tiễn của nó. Thuyết cân bằng di truyền đặc biệt chú ý đến quan điểm giải thích cơ chế điều hoà di truyền lên sự hình thành các tính trạng và làm sáng tỏ mối quan hệ nhân quả giữa các nhân tố di truyền với các tính trạng được kiểm soát. Theo đó, sự hình thành của mỗi tính trạng được xác định bằng ảnh hưởng tương ứng của nhìêu nhân tố di truyền khác nhau về đặc trưng tác dụng. Trong trường hợp đơn giản nhất thì trong số chúng có một số gây ra tác dụng kích thích tức là làm tăng cường các tính trạng, một số khác lại gây ra tác dụng theo hướng ngược lại. Sự biểu hiện của mỗi tính trạng như là kết quả về sự cân bằng tác dụng giữa các xu hướng đối lập. Tính hoạt động của các yếu tố di truyền - tức là
81 hiệu quả kiểu hình của mỗi yếu tố - được xác định không chỉ bằng hoạt động ban đầu của nó mà là sự cân bằng mối tác động của nó với các nhân tố khác. Bởi vậy, mối liên hệ giữa các nhân tố di truyền và các tính trạng được xác định bằng trạng thái của hệ thống di truyền nói chung. Trong cơ thể sống, sự trao đổi chất được thực hiện nhờ sự diễn ra của các quá trình sinh hoá. Các quá trình này được điều hoà nhờ sự tác động đồng thời và cân bằng của các hệ thống enzyme. Và chính các hệ enzyme này lại được các gene và những yếu tố có ý nghĩa di truyền trong tế bào chất kiểm soát. Nói khác đi, toàn bộ hoạt động sống của cơ thể chịu sự kiểm soát của những nhân tố di truyền và trạng thái cân bằng của chúng. Mỗi cơ thể có một trạng thái cân bằng di truyền nhất định đảm bảo cho sự hình thành một kiểu hình thành một kiểu hình nhất định thích ứng với điều kiện sống. Sự phụ thuộc giữa biểu hiện của tính trạng vào trạng thái cân bằng di truyền được thấy rất rõ ở các nghiên cứu về sự bất bình thường trong quá trình phát dục của các cơ thể có biến dị về số lượng nhiễm sắc thể. Ví dụ, các thể lệch bội như trisomic, tetrasomic...có kiểu hình rất khác so với cá dạng lưỡng bội, tam bội, tứ bội...việc thêm vào hay mất đi một hoặc một số nhiễm sắc thể nào đó đều ảnh hưởng đến kiểu hình lớn hơn so với trường hợp mất hoặc thêm vào đó những bộ nhiễm sắc thể nguyên vẹn, tức là những bộ gene cân bằng về mặt di truyền. Tóm lại, từ ba giả thuyết trên cho thấy rằng, những phân tích về mặt lý luận di truyền học của hiện tượng ưu thế lai chứng tỏ tính chất phức tạp và mối liên quan nhiều mặt của nó với những vấn đề khác của di truyền học. Các giả thuyết nói trên không loại trừ nhau mà ngược lại, bổ sung cho nhau. Cho đến nay, vẫn chưa có một giả thuyết nào chứng tỏ rằng nó được thừa nhận làm lý luận chung cho hiện tượng ưu thế lai. Tuy nhiên, như đã nói, hai giả thuyết đầu khá phù hợp với nhiều sự kiện thực tế và có cơ sở khoa học khá chắc chắn. 2. Các phương pháp duy trì ưu thế lai ở thực vật Phương pháp tạo con lai giữa các dòng có ưu thế lai cao đã được hoàn thiện. Song vấn đề phức tạp và khó khăn hơn vẫn chưa được giải quyết là việc củng cố và duy trì hiện tượng ấy ở các thế hệ tiếp theo. Như đã biết, ưu thế lai phụ thuộc vào sự tương tác giữa các gene allele và không allele và việc duy trì ưu thế lai qua các thế hệ sau bằng con đường hữu tính có khả năng rất nhỏ (do sự phân ly và tái tổ hợp). Việc phân tích những cơ sở lý luận của hiện tượng ưu thế lai cho thấy, vấn đề duy trì ưu thế lai chỉ có thể thực hiện được bằng cách tạo ra một hệ thống di truyền đảm bảo được việc truyền một cách ổn định kiểu gene dị hợp tử
82 cho những thế hệ sau. Từ bản chất của hiện tượng ưu thế lai, có thể hy vọng rằng bằng con đường tạo ra những di hợp tử có cấu trúc cân bằng từ những dạng tự đa bội, cũng như việc kết hợp ưu thế lai với phương thức sinh sản sinh dưỡng hoặc bằng một dạng sinh sản vô phối nào đó để duy trì được hiện tượng ưu thế lai 2.1. Duy trì ưu thế lai bằng con đường tạo thể song nhị bội Vấn đề cần được giải quyết là tạo ra những dạng dị đa bội nhân tạo từ những dạng tự đa bội. Randolph (1941) và Miriut (1948) là những người đầu tiên nghiên cưú và đề xướng việc sử dụng hiện tượng này trong vấn đề duy trì ưu thế lai. Miriut đã nghiên cứu các dòng lạc (đậu phộng) thuần chủng tự tứ bội với nguồn gốc khác nhau, nhưng thuộc cùng một loài. Con lai thu được do giao phối giữa các dòng thuần này tỏ ra ổn định. Sự kiện này cho phép Miriut giả định rằng, ở những dòng lạc lai này đã tồn tại một trạng thái dị hợp tử ổn định, dựa trên sự tiếp hợp tốt nhất giữa các nhiễm sắc thể có những gene khác nguồn gốc và sự phân ly của các nhiễm sắc thể chứa những gene cùng nguồn gốc đi về một cực trong quá trình giảm phân. Giả thuyết của Miriut về tính dị hợp tử ổn định ở cây lạc trong một thời gian bị coi là không có cơ sở. Song về sau, nó đã được xác nhận bằng những nghiên cứu khác. Tuy nhiên sơ đồ về sự di truyền và việc duy trì ưu thế lai ở thể đa bội dựa trên cơ sở của sự tiếp hợp và phân ly tốt nhất của nhiễm sắc thể không phải do Randolph và Miriut đề ra hoàn toàn. Vấn đề này về sau đã được Dubinin và Serbakov bổ sung nhiều. Những nghiên cứu về việc tạo ra các dạng dị tứ bội từ những dạng tự tứ bội thuộc cùng một loài ở cây lúa của Lương Định Của (1952) đã xác nhận thêm sự đúng đắn của giả thuyết này. Ở dạng con lai này, các nhiễm sắc thể từ những cặp khác nhau nhưng có chung một nguồn gốc từ bố hoặc mẹ thì cùng phân ly về một cực trong quá trình giảm phân. Wallace (1958) đã sử dụng những dẫn liệu ở bông, cà chua v.v. và đưa ra khái niệm về hiện tượng liên kết giả giữa các nhiễm sắc thể có nguồn gốc khác nhau (từ bố và từ mẹ) ở dạng dị tứ bội đặc biệt này. 2.2. Duy trì ưu thế lai bằng con đường sinh sản sinh dưỡng Đối với các cây có khả năng sinh sản bằng các phương pháp như chiết, giâm cành v.v. thì sau khi thu được thì con lai tốt, ta có thể thông qua con đường sinh sản này để duy trì kiểu gene của con lai F1 không thay đổi, nghĩa là duy trì được ưu thế lai qua các thế hệ.
83 2.3. Phương pháp gây tạo các đột biến về cấu trúc nhiễm sắc thể Việc nghiên cứu một số dạng đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể (như chuyển đoạn hoặc đảo đoạn), đã cho thấy rằng, do những đặc điểm về tiếp hợp và phân ly nhiễm sắc thể trong quá trình giảm phân mà chúng có thể tạo ra những kiểu giao tử đặc biệt, qua đó cho phép duy trì được kiểu gene ban đầu qua các thế hệ. VI. Một số thành tựu về chọn giống ưu thế lai thực vật ở Việt Nam Ở Việt Nam, trước đây diện tích trồng ngô chỉ là khoảng 400.000 ha và năng suất bình quân chỉ đạt 9-12 tạ/ha. Giống ngô lai đầu tiên của nước ta ra đời năm 1978 tại Trung tâm nghiên cứu Ngô sông Bôi thuộc Viện nghiên cứu Ngô ngày nay. Trong giai đoạn 1980-1990, Trung tâm này đã cho ra đời hàng loạt các giống ngô lai có giá trị trong sản xuất, góp phần đưa năng suất ngô bình quân của nước ta lên tới 1,4 - 1,7 tấn/ha với tổng sản lượng từ 600.000 - 850.000 tấn. Ngô lai được chính thức vào thử nghiệm trong sản xuất từ 1990. Đến 1996, diện tích trồng ngô lai lên tới 230.000 ha (chiếm 40% diện tích trồng ngô trong cả nước) với năng suất bình quân là 2,17 tấn/ha và tổng sản lượng là 1,23 triệu tấn. Năm 2000, diện tích trồng ngô lai ở nước ta lên khoảng 1 triệu ha (~ 60-70% diện tích trồng ngô), năng suất bình quân đạt 3 tấn/ha với tổng sản lượng là 3 triệu tấn. Ở nhiều loại cây trồng khác như: kê, cao lương, lúa mì, lúa mạch, cà chua, hành, củ cải đường, hướng dương ... hiện tượng ưu thế cũng đã được nghiên cứu và sử dụng. Ở cao lương, các dạng con lai giữa dòng có năng suất cao hơn dạng tiêu chuẩn 9-18 tạ /ha. Con lai giữa dòng củ cải đường có năng suất cao hơn dạng tiêu chuẩn 4-5 tạ/ha. Ở một số nước, đặc biệt là Nhật Bản, việc sử dụng ưu thế lai ở các cây rau đem lại kết quả rất to lớn. Ở nhật bản có 26 trong số 33 thứ bắp cải, 32 trong trong số 33 thứ cà chua và cả 12 thứ hành trong sản xuất là dạng cây lai. Với cây hành, sản lượng của cây lai cao hơn dạng bình thường 30- 45%. Ở Bulgari, 70% tổng diện tích trồng trọt dành cho các dạng cây lai, 100% diện tích trồng cây lai để lấy sản phẩm xuất khẩu. Gần đây, việc sử dụng hiện tượng CMS vào sản xuất lúa lai ba dòng ở một số nước châu Á, như Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Độ, Philippine đã tạo ra một bước đột phá lớn về năng suất và sản lượng ở cây lương thực quan trọng đứng hàng thứ hai thế giới này, sau lúa mì. Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu vấn đề này từ năm 1964 và đến 10 năm sau thì một quy trình sản xuất lúa lai ba dòng đã được đưa vào sản xuất. Năm 1976, diện tích
84 trồng lúa lai ba dòng ở trung quốc là 140.000 ha. Nhưng đến 1994, diện tích ấy đã là 18 triệu ha, năng suất bình quân cao hơn lúa thuần khoảng 20-30%. Ở nước ta, lúa lai được nghiên cứu từ 1980; năm 1990 một số tổ hợp lúa lai đã được nhập từ Trung Quốc; năm 1997 diện tích trồng lúa lai ở nước ta chiếm hơn 100.000 ha ... Câu hỏi ôn tập 1. Ưu thế lai là gì? Nêu các biểu hiện ưu thế lai ở thực vật và cho ví dụ. 2. Trình bày các phương pháp xác định mức độ biểu hiện ưu thế lai. 3. Thế nào là dòng tự phối và ưu thế lai khác dòng? Trình bày các phương pháp xác định các khả năng phối hợp chung và riêng của các dòng tự phối. 4. Nêu khái niệm về tính bất dục đực, các kiểu bất dục đực và phương pháp sử dụng tính bất dục đực trong chọn giống ưu thế lai ở thực vật. 5. Cơ sở di truyền học của ưu thế lai là gì? Trình bày các phương pháp duy trì ưu thế lai ở thực vật và cho ví dụ. 6. Nêu một số thành tựu điển hình về chọn giống ưu thế lai thực vật trên thế giới và ở nước ta. Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt Nguyễn Văn Hiển (chủ biên, 2000): Chọn giống cây trồng. NXB Giáo Dục, Hà Nội. Phạm Thành Hổ (2000): Di truyền học (tái bản lần 2). NXB Giáo Dục. Trần Đình Long (chủ biên, 1997): Chọn giống cây trồng (Giáo trình cao học nông nghiệp). NXB Nông Nghiệp, Hà Nội. Trần Duy Quý. 1994. Cơ sở di truyền và kỹ thuật gây tạo, sản xuất lúa lai. NXB Nông Nghiệp, Hà Nội. Trần Duy Quý (1997): Các phương pháp mới trong chọn tạo giống cây trồng. NXB Nông Nghiệp, Hà Nội. Lê Duy Thành (2000): Cơ sở di truyền chọn giống thực vật. NXB KH & KT, Hà Nội. Nguyễn Thị Trâm. 1995. Chọn giống lúa lai. NXB Nông Nghiệp, Hà Nội. Tiếng Anh
85 Chopra, V.L. (Ed., 1989): Plant Breeding: Theory and Practice. Oxford & IBH Publishing Co. PVT, Ltd. Falconer D.S. and Mackay T.F.C. (1996): Introduction to Quantitative Genetics. 4th edn. Longman Group, Harlow. Hayward, M.D., N.O. Bosemark and I. Ramagosa, Coordinating ed. M.C. Cerezo (1994): Plant Breeding: Principles and Prospects. 2nd ed. Chapman & Hall, London. Murray DR. 1991. Advanced Methods in Plant Breeding and Biotechnology. C-A-B International Publisher, London.
86 Chương 5 Các Hệ thống Sinh sản và tính Không tương hợp ở Thực vật I. Mở đầu Tính không tương hợp trong quá trình sinh sản là khái niệm chỉ hiện tượng hạt phấn không có khả năng nảy mầm hoặc ống phấn không thể xâm nhập vào vòi nhụy và thực hiện được quá trình thụ tinh. Tính không tương hợp có thể xảy ra trong phạm vi giữa các cơ quan sinh sản đực và cái của một cây, gọi là tính không tự hợp, vì vậy ở cây này không thể xảy ra quá trình tự thụ phấn. Tính không tương hợp cũng có thể xảy ra khi giao phấn giữa các nhóm cây có quan hệ họ hàng nhất định với nhau, gọi là tính không tương hợp chéo, các cây giữa các nhóm này không giao phối được với nhau. Hệ thống tính không tương hợp có thể hoạt động ở trạng thái thể bào tử (sporophytic incompatibility) hoặc ở trạng thái thể giao tử (gametophytic incompatibility). Nó kiểm soát sự tương tác giữa vòi nhụy và hạt phấn nhờ sự hoạt động của các allele thuộc locus S. Tuy nhiên ở một số thực vật, tính không tương hợp ở thực vật không phải chỉ do một mà là do hai hoặc nhiều locus can thiệp. II. Các hệ thống sinh sản và ý nghĩa của chúng trong di truyền và chọn giống thực vật 1. Sinh sản vô phối (Apomixis) Sinh sản vô phối là hình thức sinh sản mà cơ thể mới được tạo thành từ một bố mẹ riêng lẽ. Đây là hình thức sinh sản phổ biến ở thực vật và ít xảy ra ở động vật. Tất cả các cơ quan ở thực vật đều có thể được sử dụng cho sinh sản vô phối, trong đó đoạn thân được sử dụng phổ biến hơn cả (Hình 5.1). Ở một vài loài, đoạn thân tạo rễ ở một đầu tạo cây mới. Đoạn thân trên mặt đất nằm ngang (thân bò) tạo các cây con giống nhau tại các mắt. Các đoạn thân nằm dưới đất như rễ, củ, thân hành, thân củ có thể được sử dụng cho sinh sản vô phối. Quá trình nguyên phân ở mô phân sinh dọc theo mép lá cũng tạo ra được các cây nhỏ (Hình 5.2). Ở một số loài, có thể sử dụng rễ cho sinh sản vô phối như ở cây bồ công anh, cây dương lá rụng (Hình 5.3)
87 Hình 5.1 Sinh sản vô phối bằng đoạn thân bò. Hình 5.2 Cây con tạo thành nhờ nguyên phân ở mô phân sinh mép lá. Hình 5.3 Sinh sản vô phối từ rễ. 1.1. Nhân giống thực vật Những thực vật có giá trị thương mại quan trọng thường được
88 nhân giống bằng phương thức vô tính nhằm duy trì các đặc điểm mong muốn như màu hoa, hương thơm, tính kháng với bệnh … - Ghép: được sử dụng rộng rãi để nhân các giống cây mong muốn. Chẳng hạn, tất cả các giống táo đều được nhân giống theo cách này. - Sinh sản vô phối: Các loài thực vật có hạt nhưng hạt của chúng đượ tạo ra bằng phương thức sinh sản vô tính, được gọi là hiện tượng vô phối hay sinh sản vô phối (Apomixis). Trong đó, trứng được tạo thành với 2n nhiễm săc thể và phát triển không qua thụ tinh. Ở một kiểu khác, các tế bào của noãn (2n) phát triển thành phôi thay vì tạo trứng hữu thụ. Con lai giữa các loài khác nhau thường bất thụ. Nhiều con lai như thế sử dụng phương thức vô tính để nhân giống cho thế hệ sau. Gần đây, sinh sản vô phối ở cây hạt trần đã được phát hiện (Theo Pichot và cs, 2001). Ở cây bách, hạt phấn hoa là lưỡng bội, có thể phát triển thành phôi khi ở trên đất. - Nhân giống vô phối cây trồng: Nhiều cây nông nghiệp quan trọng như cây ngô (bắp) không thể nhân giống bằng phương pháp vô tính như giâm cành. Nhưng các nhà khoa học có thể chuyển những cây này sang sinh sản vô phối bằng cách tạo các phôi là các dòng di truyền hơn là tạo ra các sản phẩm của phương thức sinh sản hữu tính với các gen thường thấy. Sau 30 năm nghiên cứu, người ta đã tạo ra được cây ngô sinh sản vô phối, tuy nhiên người ta chưa tạo đủ lượng hạt để thương mại sản phẩm. Trong tự nhiên sinh sản vô phối xảy ra khoảng 10% trong số 400 họ cây hoa, nhưng chỉ có 1% trong số 40.000 loài của họ này. Sinh sản vô phối thường xảy ra ở họ Graminae, Compositae, Rosaceae và Asterceae. Chỉ có một số cấy trồng có sinh sản vô phối như cam chanh, xoài, một số cỏ nhiệt đới và một số cây khác. Sinh sản vô phối có thể xảy ra theo 2 cách: hạt vô tính có thể được tạo thành từ những tế bào sinh sản của cây nhưng bị trở ngại không thể trải qua quá trình sinh sản hữu tính (giảm phân). Cách thứ hai là hạt có thể được tạo thành từ tế bào sinh dưỡng. Đôi khi, cả hạt hữu tính và vô tính đều phát triển từ cùng một hoa. Lợi ích rõ nhất của sinh sản vô phối ở cây trồng là cho phép chọn lọc một cây riêng lẽ và nhân lên như những dòng qua hạt của chúng. Thuận lợi thứ hai là mở rộng dãy các cây hoang dại có quan hệ họ hàng có thể đưa vào chương trình chọn giống. Sinh sản vô phối có thể làm giảm chi phí sản xuất cây lai. Các chủ trang trại không thể giữ hạt từ các cây lai vì thực tế chúng không thể sinh sản. Các công ty duy trì các dòng cây giống bố mẹ để đem lai để cung cấp