Giáo trình Chọn giống cây trồng (Nghề: Bảo vệ thực vật - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:50

Thêm vào BST

Báo xấu

19
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Chọn giống cây trồng cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm cơ bản về giống cây trồng và Khoa học chọn giống; Tạo vật liệu khởi đầu trong chọn giống cây trồng; Thuần hóa và nhập nội giống cây trồng; Sử dụng thể đa bội và đơn bội trong chọn giống cây trồng;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 2 giáo trình.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Chọn giống cây trồng (Nghề: Bảo vệ thực vật - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp

CHƯƠNG 4 SỬ DỤNG THỂ ĐA BỘI VÀ ĐƠN BỘI TRONG CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG Giới thiệu: Đa bội và đơn bội là loại đột biến NST, mỗi loại đột biến sẽ có ý nghĩa và đóng vai trò góp phần tạo nên sự đa dạng loài ở thực vật. Mục tiêu: Kiến thức: + Trình bày được khái niệm thể đa bội, đơn bội + Trình bày được vai trò của thể đa bội trong chọn giống cây trồng + Trình bày được ý nghĩa của thể đơn bội Kỹ năng: + Biết được một số phương pháp xử lý đa bội Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mĩ, ham học hỏi + Vận dụng các ưu điểm của thể đa bội, đơn bội vào thực tế sản xuất * Nội dung chương: 1. Thể đa bội 1.1 Khái niệm và giá trị của thể đa bội trong chọn giống Hiện tượng đa bội khá phổ biến trong tự nhiên và có thể phân ra làm hai nhóm chính : đa bội cân (Euploid) và đa bôi lệch (Aneuploid). Đa bội lệch là thể đa bội mà số nhiễm sắc thể không trùng hợp với bội số của bộ nhiễm sắc thể đơn (x). Nếu bộ nhiễm sắc thể đơn của loài nào đó là x và số nhiễm sắc thể của tế bào xôma là 2x thì thể đa bội lệch sẽ có một hoặc vài nhiễm sắc thể nhiều hơn hoặc ít hơn 2x. Sự thừa hoặc thiếu một số nhiễm sắc thể này gây ra tình trạng mất cân bằng của kiểu gen nên các thể đa bội lệch thường có sức sống kém. Trái lại, thể đa bội cân có ý nghĩa quan trọng trong sự tiến hóa của sinh vật và trong chọn giống cây trồng. Vì lý do đó chương này chỉ đề cập đến trường hợp đa bội cân .Đa bội hóa là một trong những hướng tiến hóa chính của thực vật nói chung, cũng như cây trồng nói riêng. Nhìn chung, gần phân nửa số chỉ thực vật có các dạng đa bội. Cây thân gỗ có ít loại hình đa bội hơn cây thân thảo. Cây song tử diệp có ít loại hình đa bội hơn cây đơn tử diệp. Trong số cây thân thảo thì cây lâu năm có nhiều loại hình đa bội hơn cây sống một năm. Một số loài thực vật có họ hàng với nhau hợp thành một dãy đa bội, có thể xếp theo trình tự tăng dần các bội số của bộ nhiễm sắc thể có bản. Việc nghiên cứu các thể đa bội trong tự nhiên cho thấy hầu như tất cả các dạng đa bội sinh sản bằng hạt là thể dị đa bội chứ không phải tự đa bội. Dãy đa bội của chi Triticum là một dẫn chứng điển hình về mặt này. Chi này gồm ba nhóm có số nhiễm sắc thể cơ bản n = 7, 14 và 21.E. R.Sears đã chứng minh là các thể nhiễm sắc trong giao tử của lúa mì lục bội (n = 21) tạo thành bảy nhóm ba nhiễm sắc thể.Dạng đa bội cân gồm hai nhóm nhỏ : tự đa bội (autopolyploid), có bộ nhiễm sắc thể đơn cơ bản được lặp lại nhiều lần : và dị đa bội (allopoly ploid), khi bộ nhiễm sắc thể đơn của thể đa bội gồm các bộ nhiễm sắc thể cơ bản có nguồn gốc 34
khác nhau. Ví dụ, một thể dị tử bội nào đó có nguồn gốc từ hai loài A và B. Bộ nhiễm sắc thể có bản của loài A là x1, còn bộ nhiễm sắc thể cơ bản của loài B là x2, bộ nhiễm sắc thể của giao tử thể dị đa bội n sẽ là X1x2 còn bộ nhiễm sắc thể của thể dị tứ bội là x1x1x2x2. Sự hình thành thể tứ bội thường là do kết quả của quá trình lưỡng bội hóa cây nhị bội hay giao phối giữa hai thể tứ bội khác nhau. hiện tượng lưỡng bội hóa có thể xảy ra ở một tế bào sinh dưỡng. Nếu tế bào ấy sau đó phân chia bình thường thì sẽ hình thành một nhóm tế bào hoặc mô tế bào. Trong trường hợp cây có khả năng sinh sản vô tính, thì từ các mô này có thể hình thành một cơ thể mới hoàn toàn tứ bội. Hạt từ bộ phận tứ bội có thể cho đời sau tứ bội ẩn định. Trong tự nhiên các chi thực vật gồm thể lưỡng bội và thể đa bội, thì các thể đa bội thường ở mức tiến hóa cao hơn. Đối với các loại cây trồng có nhiều thể bội khác nhau, thì thường dạng nào có số lượng nhiễm sắc thể lớn hơn sẽ có giá trị cao hơn. Ví dụ, lúa mì mềm lục bội có sản lượng cao hơn và được phổ biến rộng nhất, chiếm hơn 80% tổng diện tích trồng lúa mì trên thế giới. Lúa mì tứ bội thường kém hơn về năng suất, chỉ được gieo trồng trên 10-11% tổng diện tích lúa mì. Dạng nhị bội chỉ được trồng trên diện tích nhỏ. Một điển hình khác về mặt này là dãy đa bội của khoai tây, gồm các dạng nhị bội, tam bội và tứ bội. Các giống khoai tây được trồng rộng rãi hiện nay thuộc dạng tứ bội. Bộ gen của thể tự đa bội không có thêm gen mới nào so với bộ gen của dạng lưỡng bội gốc, tính trạng thường có cùng dạng như ở thể lưỡng bội, nhưng cách biểu hiện ra kiểu hình có mạnh hơn. Ở thể nhị đa bội, tuy cũng không có thêm gen nào khác hơn hai bộ gen lưỡng bội của các dạng cha mẹ, nhưng ở đây nhờ sự chọn lọc trên cơ sở của sự hình thành các tổ hợp và cân bằng gen mới, nên cây dị tứ bội thường có tính thích ứng cao hơn. Về mặt hình thái, so với cây nhị bội, các dạng đa bội thường có thân cao hơn, lá to dày hơn có màu sắc xanh đậm hơn, hạt phấn, hoa quả, hạt và kích thước khí khổng, tế bào lớn hơn. Người ta thường dựa vào kích thước khí khổng và hạt phấn để phân biệt dạng đa bội với dạng nhị bội. Việc gia tăng số nhiễm sắc thể cơ bản ở các dạng đa bội cũng gây ra những biến đổi sinh lý, hóa sinh, như áp suất của dịch tế bào giảm, nhịp độ phân chia tế bào bị chậm lại, độ dài của thời kỳ sinh trưởng sinh dưỡng tăng lên. Trong một số trường hợp, thành phần hóa sinh của một số dạng đa bội thay đổi theo hướng có lợi, như gia tăng hàm lượng đường (trong các dạng củ cải đường tam bội, tứ bội) hàm lượng vitamin (như ở cà chua, nho đa bội), hamg lượng dược liệu. Thông thường tính hữu thụ của các dạng tự đa bội bị giảm mạnh hơn các dạng dị đa bội. Nguyên nhân của sự giảm sút mạnh tính hữu thụ ở các dạng tự đa bội là sự rối loạn trong quá trình tiếp hợp và phân ly các thể nhiễm sắc tương đồng với số lượng lớn hai khi phân bào giảm nhiễm. Điều đó dẫn đến sự hình thành số lớn giao tử với số nhiễm sắc thể không cân bằng,có sức sống yếu. Trong trường hợp này tính bất dục của hạt phấn biểu hiện mạnh hơn tế bào trứng. Một nguyên nhân khác cũng làm giảm tính hữu thụ ở các dạng tự đa bội là sự thiếu cân bằng giữa cấu trúc nguyên sinh chất và nhân tế bào, đưa đến sự rối loạn sinh lý. Vì tính bất thụ cao mà số lượng các thể tự đa bội trong tự nhiên tương đối ít. Một số loài mà lúc đầu người ta tưởng là những thể tự đa bội vì dựa trên cơ sở chung giống những thể nhị bội đã biết, thì trong quá trình nghiên cứu tiếp theo đã tỏ rõ là những loài được tạo thành từ một số dạng ban đầu không thân thuộc với nhauvêf mặt di truyền. Tuy những loài tự đa bội trong tự nhiên không nhiều như người ta nghỉ trước kia, nhưng tần số cao của các loài có số nhiễn sắc thể khác nhau trong cùng một chi cho thấy vai trò của hiện tượng tự đa bội trong sự tiến hóa 35
của thực vật. Cây lai khác loài thường có tính bất thụ cao, vì các thể nhiễm sắc nhận được từ các loài cha mẹ không tương đồng với nhau nên dẫn đến sự rối loạn trong quá trình phân bào giảm nhiễm. Tuy nhiên những dạng tử bội khác nguồn chứa hai bộ nhiễm sắc thể của mỗi một trong hai cha mẹ nhị bội, trong quá trình phân bào giảm nhiễm, sự tiếp hợp giữa những cặp nhiễm sắc thể tương đồng nói trên vẫn viễn ra bình thường, vì vậy cây có tính hữu thụ đầy đủ. Ngày nay ngoài những loại cây mà bộ phận kinh tế là các cơ quan sinh dưỡng như cỏ làm thức ăn gia súc, rau, củ cải đường, dâu tằm . . . các nhà chọn giống đã tạo ra được một số giống cây lấy hạt đa bội có giá trị. Trong giai đoạn đầu, thành công tiêu biểu nhất trong việc xử lý Colchicine để tạo giống cây lấy hạt là những trường hợp đối với lúa mạch đen. Các giống lúa mạch đen tứ bội 2n = 28 (thay vì 2n = 14), có kích thước hạt to lớn, có khả năng nẩy mầm tốt trong những điều kiện bất lợi của môi trường và có hàm lượng protein cao. Các giống lúa mạch đen tứ bội được tạo ra ở Cồng hòa dân chủ Đức, Thụy Điển có thân ngắn, không đổ ngã đã có phẩm chất hạt cao. Viện Hàn Lâm Khoa học Liên Xô đã tạo ra giống lúa mạch đen tứ bội có năng suất cao. 1.2. Phương pháp xử lý đa bội hóa * Gây chấn thương cơ giới Cách xử lý theo phương pháp này là gây chấn thường bằng cách cắt ngọn, cắt cành, cắt ngang chỗ ghép . . Phương pháp này đơn giản dễ làm, ít tốn kém, nhưng chỉ có hiệu quả tốt ở một số loài thực vật. Hiệu quả tốt nhất thu được ở các loài thuộc chi Solanum. Đặc biệt đối với cà chua, hiệu quả có thể đạt đến trên 10%. Cơ sở của phương pháp này là chỗ vết thương sau khi xử lý thường hình thành mô sẹo, từ đó phát sinh các tế bào đa bội hóa và sau cùng là những mầm đa bội. Cắt những mầm đa bội này đem nhân vô tính sẽ thu được cây đa bội hoàn chỉnh. Nguyên nhân gây chấn thương làm phát sinh các tế bào đa bội là sự phân chia tế bào chất chỗ vết thương bị chậm lại so với sự phân chia nhân, dẫn đến kết quả là hình thành tế bào có hai nhân, sau đó chuyển thành dạng đa bội. Trong trường hợp ghép cây, chỗ tiếp giáp giữa gốc ghép và cành ghép cũng có thể phát sinh các chồi đa bội. Nếu các chồi này được tách và nhân ra theo con đường sinh sản sinh dưỡng thì cũng có thể tạo ra các dòng đa bội. Việc xử lý phải tiến hành lúc cây còn non. Sau khi cắt cành ngọn, để cho cây tập trung chất dinh dưỡng nuôi mô sẹo chỗ xử lý cân cắt bỏ các mầm nách. * Tạo sốc nhiệt Theo phương pháp này cây xử lý được đưa vào môi trường nhiệt độ cao đột ngột và giữ trong điều kiện đó một thời gian nhất định. Sự tăng nhiệt độ đột ngột này có thể ảnh hưởng đến cả sự phân bào nguyên nhiễm và phân bào giảm nhiễm. dẫn đến việc hình thành tế bào đa bội. Để tạo dòng bắp đa bội L.F. Randolph (1932) đã tạo ssôsc nhiệt ở lần phân bào đầu tiên của hợp tử sau khi thụ tinh. Thời gian xử lý kéo dài 24 giờ ở nhiệt độ 43 - 450C. Trong quá trình phân bào giảm nhiễm để tạo thành hạt phấnơr cây lúa, nếu xử lý nhiệt độ 430C thì có thể thu được hạt phấn lưỡng bội hoặc đa bội. * Xử lý bằng các chất hóa học Người ta đã xác định một số hóa chất có khả năng gây đa bội hóa như colchicine, gamexan, hyprit, acennapthene, sulfamilamide, chloral hydrate, ethyl mercury chloride . Trong số đó Colchicine là chất cho hiệu quả cao nhất, nên là chất chủ yếu 36
được sử dụng vào mục đích này. Khi ngưng sự tác động của hóa chất thì tế bào lại có khả năng phân chia bình thường và tạo nên các tế bào tứ bội.Từ khối tế bào tứ bội này sẽ phát sinh các chồi tứ bội và các chồi này có thể cho hạt mà từ đó sẽ mọc lên cây tứ bội. Để cho các mô đa bội không bị các mô lưỡng bội cạnh tranh, cần cắt bỏ những phần ngi là lưỡng bội. Hiệu quả của phương pháp xử lý bằng colchicine phụ thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm sinh học của loài, giai đoạn xử lý, bộ phận xử lý, thời gian, nồng độ dung dịch, nhiệt độ của môi trường. v . . v . Tác động gây đa bội của colchicine diễn ra vào lúc tế bào đang phân chia, vì vậy bộ phận xử lý có hiệu quả nhất là mô phân sinh, nơi có quá trình phân chia tế bào mạnh nhất. Thường người ta xử lý lấy hạt nẩy mầm, điểm sinh trưởng của cây con, mầm mới nứt, nụ hoa. v . .v . . Tính cảm ứng của các loại cây trồng với colchicine biểu hiện không giống nhau, vì vậy mà điều kiện xử lý thích hợp đối với từng loại cây trồng cần được xác định bằng thực nghiệm. Thông thường đối với những cây có tế bào phân chia nhanh thì dùng nồng độ colchicine thấp, thời gian xử lý ngắn, ngược lại, cây có tế bào phân chia chậm, thì dùng nồng độ cao với thời gian xử lý dài. Nồng độ dung dịch colchicine thường dùng để xử lý hạt thay đổi trong khoảng 0,01 - 0,2%, còn khi xử lý điểm sinh trưởng của cây dùng nồng độ cao hơn, khoảng 0,5 - 2%.Thời gian xử lý có thể kéo dài từ vài giờ đến 10 ngày. Nhiệt độ thích hợp cho việc xử lý nằm trong khoảng 15 - 250C. Nhiệt độ xử lý càng thấp thì càng phải tăng nồng độ colchicine và thời gian xử lý. Cần lưu ý nếu thời gian xử lý vượt quá một chu kỳ phân chia tế bào, thì số lượng nhiễm sắc thể trong tế bào không chỉ tăng lên gấp đôi, mà có thể là gấp 4 hay hơn nữa. Ví dụ, chu kỳ phân chia tế bào ở rễ hành là 4 giờ; sau khi xử lý 7 phút thì colchicine thấm vào mô và sau 30 phút đã ảnh hưởng đến sự phân chia tế bào, vì vậy nếu thời gian xử lý chỉ 30 phút thì sẽ xuất hiện một số tế bào tứ bội (2n = 4x), còn nếu thời gian xử lý kéo dài1- 2 giờ thì sẽ xuất hiện một số tế bào 2n = 8x, xử lý 72 giờ xuất hiện số tế bào 2n = 32x. Khi kết thúc xử lý, cần rửa kỹ các đối tượng xử lý bằng nước để tránh ảnh hưởng của lượng colchicine còn dính lại . 1.3 Sử dụng thể đa bội trong chọn giống Sau khi phát hiện ra tác động gây đa bội hóa của colchicine vào năm 1937, không ít nhà chọn giống hy vọng nó sẽ mở ra con đường dẫn đến một cuộc cách mạng mới trong nông nghiệp. Trong những năm tiếp sau đó, các nhà khoa học đã dành nhiều công sức để tạo giống đa bội trên nhiều loại cây trồng khác nhau. Hai mươi năm sau bước bộc phát ban đầu, nhiệt tình đối với hướng nghiên cứu này đã giảm nhiều vì số dạng đa bội tạo được có giá trị nông nghiệp quá ít ỏi. Phần lớn các dạng đa bội thu được hoặc bất dục, hoặc có khả năng sinh sản thấp và không ổn định về mặt di truyền. Nguyên nhân của hiện tượng trên có thể là do bản thân nhiều loại cây trồng hiện nay đã là đa bội, vì vậy việc nhân đôi số lượng nhiễm sắc thể thường vượt quá mức tối thích của loài, nên các dạng thu được có sức sống kém hơn dạng ban đầu. Quan điểm về hướng tạo giống đa bội. Phần lớn các dạng đa bội nhân tạo không ứng dụng được trực tiếp trong sản xuất, vì vậy việc tạo ra các dạng đa bội mới chỉ là bước đầu. Muốn phát huy tác dụng của các dạng đa bội thu được, thường cần phải qua các khâu lai tạo và chọn lọc đòi hỏi nhiều thời gian và công sức. Việc sử dụng các thể đa bội phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm sinh sản và bộ phận nào là bộ phận kinh tế của cây trồng. Thường tính hữu thụ của các dạng đa bội, nhất là các dạng tự đa bội bị giảm thấp so với dạng 37
nhị bội ban đầu . Tuy nhiên đối với cây sinh sản vô tính, mà bộ phận kinh tế là các cơ quan sinh dưỡng thì tính bất dục lại có lợi, nên trong trường hợp này hướng tạo giống đa bội có nhiều triển vọng. Ví dụ, giống bạc hà Mitham tứ bội có năng suất tinh dầu vượt gấp đôi so với dạng nhị bội ban đầu, nhờ năng suất sinh học tăng 85% và hàm lượng dầu tăng 16%. Hướng tạo giống tam bội cũng đạt được nhiều kết quả khả quan đối với một số loại cây trồng như củ cải đường khoai tây, dưa hấu. Những cố gắng nhămg nâng hàm lượng đường trong các giống củ cải đường lên trên 20% trong một thời gian dài không đạt được kết quả mong muốn. Các dạng tứ bội được tạo ra cũng không có ưu thế gì hơn so với dạng nhị bội (2x = 18). Tuy nhiên, khi lựa chọn cặp cha mẹ tứ bội và nhị bội thích hợp để lai thì người ta đã thu được dạng tam bội (3n = 27) vừa có năng suất củ cao vừa có hàm lượng đường trong củ trên 20%. Với các giống tam bội này, sản lượng đường trêm một đơn vị diện tích gia tăng 15-20% so với giống nhị bội. Giống dưa hấu tam bội đầu tiên do Kihara và các cộng tác viên tạo ra ở Nhật, năm 1957. Để tạo giống tam bội, đầu tiên người ta xử lý colchicine các dạng nhị bội (2n = 22) để tạo ra dạng tứ bội (4x = 44). Lai dạng tứ bội với dạng nhị bội sẽ thu được hạt lai tam bội có sức sống bình thường. Cây dưa hấu tam bội cho trái không hạt, hay nói đúng hơn là chỉ có hạt lép, nhỏ, trắng, mềm giống như hạt dưa chuột non. Đối với những cây sinh sản bằng hạt, nhưng bộ phận kinh tế là các cơ quan sinh dưỡng, thì cũng không gặp trở ngại lớn và sự giảm thấp tính hữu thụ ở các dạng đa bội. Người ta sẽ tạo được nhiều giống cỏ ba lá tứ bội, làm thức ăn cho gia súc, có năng suất cao, chịu lạnh khá, ít bị sâu phá hại. Một hướng có triển vọng trong chọn giống khoai tây là tạo các thể song lưỡng bội bằng cách đa bội hóa các tổ hợp lai khác loài, như lai khoai tây trồng Solanum tuberosum với khoai tây dại, S.macolae để tạo giống có sức đề kháng cao với tuyến trùng. 2. Thể đơn bội và ý nghĩa của nó trong chọn giống 2.1 Khái niệm thể đơn bội Thể đơn bội là một cây được hình thành từ giao tử, có số nhiễm sắc thể bằng số nhiễm sắc thể của giao tử đặc trưng của loài. Nhìn chung, các thể đơn bội trong tự nhiên khá phổ biến ở nhiều loài thực vật, tuy xuất hiện với tần số rất thấp. Có ba trường hợp chính có thể dẫn tới sự hình thành thể đơn bội trong tự nhiên là : Trinh sinh (parthenogenesic), mầu sinh (gynogenesis), và phụ sinh andrgenesis). 2.2 Ý nghĩa thể đơn bội trong chọn giống Việc ứng dụng ưu thế lai ở cây gi-o phấn chủ yếu dựa trên cơ sở của sự kết hợp giữa các dòng đồng hợp tử. Đối với các cây tự thụ phấn, cho đến nay, các giống mới được chọn tạo và đưa vào sản xuất phần lớn là các dòng thuần từ các tổ hợp lai. Quá trình tạo dòng đồng hợp tử ở cây giao phấn cũng như tạo dòng thuần của cây tự thụ phấn đòi hỏi một thời gian dài, thường là 7 đến 10 vụ. Đây là khâu đòi hỏi nhiều thời gian và công sức nhất trong quá trình chọn giống. Để khắc phục khó khăn này, người ta nghiên cứu phương pháp rút ngắn thời gian tạo dòng đồng hợp tử thông qua thể đơn bội. Trong một trường hợp sự thụ tinh có xảy ra, nhưng các nhân sinh sản đực và cái của các giao tử không dung hợp với nhau được. mặc dù sự thụ tinh thứ cấp vẫn dẫn tới sự tạo thành phôi nhũ một cách bình thường; nếu nhân sinh sản đực bị tiêu đi 38
thì thể đơn bội được hình thành theo cách mầu sinh, còn nếu nhân sinh cái bị tiêu đi (trường hợp này rất hiếm) thì thể đơn bội được hình thành theo cách phụ sinh. Thể đơn bội thường bất thụ nên hầu như không cho hạt, nhưng nếu phát hiện chúng được sớm ở giai đoạn cây con và xử lý đa bội hóa nhận tạo, thì sẽ thu được cây lưỡng bội hữu dục đồng hợp tử về tất cả các gen. Bằng cách tự phối thông thường thậm chí đến 10 thế hệ cũng không thu được những dòng đồng hợp tử như vậy. Giữa các thể đơn bội và các thể lưỡng bội thu được do nhân đôi số nhiễm sắc thể lên, có những mối tương quan về một số tính trạng. Điều đó cho phép tiến hành chọn lọc ngay từ giai đoạn đơn bội với khối lượng công việc ít hơn nhiều so với việc chọn lọc thông thường ở cây nhị bội. Lý thuyết về khả năng thu nhận những dòng đồng hợp tử thông qua thể đơn bội được Navasin và cacpêtrencô đề xuất từ hơn 30 năm trước. Theo phương pháp này người ta đã thu được một số dòng bắp đồng hợp tử. Tuy nhiên khó khăn trong việc này cũng không nhỏ. Do tỉ lệ cây đơn bội xuất hiện trong tự nhiên rất bé, nên phát hiện được cây đơn bội từ giai đoạn cây con thật không phải là một vấn đề dễ dàng. Đó là chưa nói đến khó khăn trong việc lưỡng bội hóa các cây đơn bội đã được phát hiện đó. Để gia tăng khả năng phát hiện những cây bắp đơn bội Traizơ (1949) đã sử dụng những dòng bắp đặc biệt. Một số trong các dòng này đồng hợp tử theo hàng loạt gen lặn biểu hiện qua hình thái ở giai đoạn cây con; còn một số dòng khác đồng hợp tử theo hàng loạt gen trội. Lai những dòng này với nhau, lấy những dòng có nhiều gen đồng hợp lặn làm mẹ, còn những dòng kia làm cha. Con lai thu được sẽ mang tính trạng trội của dòng cha. Trong trường hợp hạt sinh sản đơn tính, tức không được thụ trước, thì cây lai sẽ tính trạng lặn của dòng mẹ, nhờ vậy mà người ta có thể phát hiện được dễ dàng những cây đơn bội này. Nếu việc kiểm tra nhiễm sắc thể ở tế bào rễ xác nhận đúng là cây đơn bội thì tiến hành xử lý colchicine để thua nhận cây nhị bội đồng hợp tử. Khả năng tạo các dòng thuần thông qua thể đơn bội chỉ trở thành hiện thực đối với việc chọn giống cây trồng khi con người có thể chủ động tạo ra hàng loạt cá thể đơn bội một cách dễ dàng. Kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào hiện đại đã mở ra những triển vọng rất sáng sủa cho việc tạo dòng đồng hợp tử thông qua thể đơn bội. Theo phương pháp này người ta nuôi cấy hạt phấn trong môi trường nhân tạo để hạt phấn phát triển thành những khối tế bào vô tổ chức (callus). Đây là các tế bào đơn bội được hình thành do quá trình phân bào nguyên nhiễm từ hạt phấn, có số lượng nhiễm sắc thể bằng 1n. Thông qua thành phấn hóa học của môi trường và các yếu tố ngoại cảnh khác người ta điều khiển cho hình thành những cây đơn bội từ những khối tế bào kể trên. Sau khi dùng colchicine để xử lý các cá thể đơn bội này, người ta thu được những cây nhị bội đồng hợp tử ở tất cả các locus. Ứng dụng kỹ thuật nuôi cấy mô và tế bào kể trên người ta có thể rút ngắn đáng kể quá trình, chọn giống cây trồng. Đối với cây thụ phấn, thay vì phải mất nhiều năm để tuyển chọn được các dòng thuần từ những tổ hợp lai thì với phương pháp mới kể trên người ta chỉ cần nuôi cấy hạt phấn của cây lai F1 để tạo cây đơn bội, sau đó xử lý colchicine và thu được cây nhị bội đồng hợp tử. Vấn đề hiện nay là hoàn chỉnh kỹ thuật nuôi cấy hạt phấn đối với từng loại cây trồng. Các nhà khoa học Trung Quốc đã tạo được một số giống lúa thông qua thể đơn bội theo phương pháp kể trên. Các giống lúa này có ưu điểm nổi bật về độ đồng nhất cao giữa các cá thể. việc nghiên cứu taoh giống lúa thông qua thể đơn bội ở nước ta đang được tiến hành ở Phân Viện Khoa học Việt Nam tại thành phố Hồ Chí Minh. CÂU HỎI ÔN TẬP 39
Câu 1: Tầm quan trọng của thể đa bội trong chọn giống cây trồng? Câu 2: Các phương pháp xử lý đa bội? Câu 3: Ứng dụng của thể đa bội trong chọn giống? Câu 4: Thể đơn bội là gì? Ý nghĩa của thể đơn bội trong chọn giống cây trồng? 40
CHƯƠNG 5 ĐỘT BIẾN CẢM ỨNG VÀ CÁC DẠNG ĐỘT BIẾN TRONG CHỌN GIỐNG Giới thiệu: Nội dung bài nêu ý nghĩa, cách chọn lọc các đột biến trong chọn giống cây trồng Mục tiêu: Kiến thức: + Trình bày khái niệm và ý nghĩa của đột biến + Trình bày được cách phát hiện và chọn lọc đột biến Kỹ năng: + Biết các phương pháp gây loại đột biến + Chọn lọc các đột biến có lợi Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Biết vận dụng các cá thể đột biến có lợi để áp dụng vào thực tế. * Nội dung chương: 1. Đột biến gen và ý nghĩa của nó trong chọn giống 1.1 Khái niệm đột biến gen Đột biến gen là sự biến đổi cấu trúc của gen dẫn tới sự xuất hiên alen mới có chức năng biến đổi. Đột biến gen liên quan đến sự thay đổi hóa học trong thành phần của gen. 1.2 Ý nghĩa của đột biến gen Đa số đột biến là có hai đối với sinh vật, thậm chí gây chết, nhưng cũng có một số ít đột biến có lợi, có ý nghĩa đối với sự tiến hóa của sinh vật hoặc trong chọn giống cây trồng. Điều này được giải thích bởi tính chất phức tạp và khá hoàn thiện của quá trình trao đổi chất điều khiển sự sinh trưởng và sinh trưởng đã được thiết lập qua quá trình chọn lọc tự nhiên lâu dài. Ngay các đột biến được xem là " có ích " cũng chỉ tỏ rõ những phẩm chất tích cực của chúng trong những điều kiện nhất định. Ngoài ra cũng cần lưu ý là ngay cả những đột biến gen có ích cũng thường có những tác dụng phụ làm hạn chế giá trị của chúng, thường gặp nhất là giảm năng suất. Các loại cây trồng khác nhau, các gen khác nhau có tần số đột biến cũng khác nhau. Các cá thể F1 dị hợp tử, nhờ sự chọn lọc sẽ có mức biểu hiện tối đa hoặc tối thiểu các alen đột biến mà ở các thế hệ sau đã tích lũy những nhân tố gây biến đổi bảo đảm hiệu quả của các alen xác định màu sắc khi chỉ có một liều lượng. Việc chọn lọc liên tục đã tích lũy những nhân tố gây biến đổi có tác động mạnh hơn và đã làm tăng tính trội hoặc tính lặn của những alen đột biến. Tần số đột biến tự nhiên trung bình ở sinh vật thượng đẳng là 10-5 - 10 -8 . Đột biến xuất hiện trong điều kiện tự nhiên gọi là đột biến tự phát. Mặc dù tần số đột biến của từng gen riêng biệt rất thấp, nhưng ở nhiều loại cây số lượng gen rất lớn nên tần số đột biến chung rất đáng kể. Các nhà chọn giống đã sử dụng những kết quả những dạng đột biến tự phát mang các tính trạng có lợi về kinh tế. Các dạng đột biến 41
này được dùng làm nguồn vật khởi đầu để lai tạo ra những giống cây trồng tốt. Ví dụ nhu dạng đột biến thấp cây lá đứng trên giống lúa Deegee Woogen đã được sử dụng để tạo ra các giống lúa cao sản. Do tần số đột biến tự phát thường rất thấp, khó phát hiện, nên ngày nay các nhà chọn giống không thể chỉ trông chờ vào việc sử dụng các dạng đột biến tự phát. Các nhà khoa học đã xác định được một số tác nhân gây đột biến nhân tạo cho phép nâng tần số đột biến lên hàng trăm, hàng ngàn lần. Hướng thứ nhất tỏ ra có triển vọng trong việc cải thiện từng đặc tính riêng lẻ của các giống đang dùng trong sản xuất, ví dụ như tính kháng bệnh, tính chống đỗ ngã . . vì nó có khả năng giữ nguyên các đặc tính quí của giống. Song các dạng đột biến thường không đáp ứng được những đòi hỏi cao về nhiều mặt đối với giống cây trồng của nền nông nghiệp hiện đại. Các đột biến có ích thường đi kèm với những biến dị có hại. Vì lý do đó, trong phần lớn trường hợp các đột biến có lợi được sử dụng để đưa vào kiểu gen của giống mới thông qua con đường lai tạo. Tuy nhiên, cần nói là để cải tạo từng đặc tính riêng lẻ của một giống tốt nào đấy thì phương pháp hồi giao sẽ hứa hẹn những kết quả chắc chắn hơn nhiều. Riêng đối với cây ăn trái có khả năng nhân giống vô tính thì phương pháp đột biến có một số ưu thế đáng kể. Các loại cây ăn trái thường là những dòng vô tính (clone) có mức độ dị hợp tử cao, nên phương pháp hồi giao tỏ ra không thích hợp bằng. Hướng chọn giống đột biến có một số ưu thế nhất định mà các phương pháp chọn giống khác không có được và đều không thể phủ nhận là các thành tựu chọn giống đột biến gia tăng với nhịp độ ngày càng nhanh. tuy nhiên ,điều rất quan trọng là cần đánh giá đúng mức vai trò của phương pháp này trong chọn giống cây trồng nói chung. 2. Phương pháp gây đột biến nhân tạo 2.1 Gây đột biến bằng tác nhân lí học Tác nhân vật lí được sử dụng để gây đột biến cảm ứng là các tia bức xạ, gồm hai loại : bức xạ ion hóa và không ion hóa. * Bức xạ không ion hóa Tia tử ngoại là bức xạ không ion hoa duy nhất có khả năng gia tăng tần số đột biến vượt xa tần số tự phát. Tia tử ngoại có bước sóng khá dài, từ 2.000 - 4.000 A. Khi tác động lên đối tượng xử lý, tia tử ngoại không gây ra hiện tượng ion hóa mà chỉ kích thích hoạt tính của các phân tử. Tia tử ngoại có sức xuyên yếu, nên việc xử dụng nó để gây đột biến ở sinh vật bậc cao ít có hiệu quả, vì nó không có khả năng xuyên qua mô bao quanh các tế bào sinh dục. Tia tử ngoại được sử dụng có kết quả khi xử lý đột biến hạt phấn và vi sinh vật. Ít khi gặp những biến dị cấu trúc lớn trong thể nhiễm sắc khi xử lý bằng tia tử ngoại. Đối với hạt phấn và vi sinh sinh vật tia tử ngoại gây ra tần số đột biến khá cao, nhờ có bước sóng trùng hợp với độ dài hấp thu sóng của AND (2.650 A). Điều này dẫn đến nhận định là tác động gây đột biến của tia tử ngoại được thực hiện thông qua sự hấp thu bức xạ bởi AND của các thể nhiễm sắc. * Bức xạ ion hóa Khi xuyên qua tế bào sinh vật, các bức xạ ion hóa truyền năng lượng của mình cho các nguyên tử cấu trúc nên tế bào tạo nên các ion. Các ion chỉ được tạo nên dọc theo đường xuyên của bức xạ có những hạt mang điện tích đi qua. Những hạt nầy gây nên sự ion hóa khi chúng mất năng lượng lúc va chạm với các nguyên tử. Theo đà các 42
hạt cơ bản của tia bức xạ bị hãm chậm lại dần và khoảng cách giữa những ion được hình thành tiếp theo sẽ trở nên ngắn hơn, đến mức vào cuối đoạn đường đi thì các phần tử trên tạo nên " đuôi " ion hóa dày đặc. Mật độ của các ion được hình thành dọc theo đoạn đường đi thay đổi tùy theo những sự khác biệt về năng lượng ban đầu và tùy theo sự khác nhau về khối lượng của các phần tử trong tia bức xạ. Các bức xạ ion hóa kìm hãm sự phân chia tế bào và sự tổng hợp axit nucleic, gây hiện tượng đứt thể nhiễm sắc và nhiễm sắc tử, làm thay đổi cấu trúc của thể nhiễm sắc, gây ra những biến đổi bên trong gen ở mức phân tử, cũng như tạo ra các sai lệch trong sự phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm. 2.2. Gây đột biến bằng các tác nhân hóa học Tác động hủy hoại lớn xảy ra ở liều lượng chiếu xạ cao, vì vậy để thu nhận được nhiều đột biến có giá trị, người ta dùng liều lượng chiếu xạ thấp hơn liều lượng tới hạn khoang 1,5 đen 2 lần. Riêng đối với tia nơtron nhanh thì liều lượng xử lý cần thấp hơn liều lượng tới hạn 10 - 30 lần. Do tính chất và tác dụng của một số hóa chất có thể thay thế một số gốc nhất định trong phân tử AND nên có triển vọng là trong tương lai có thể điều khiển được hướng đột biến, nếu phát hiện được các hợp chất phản ứng một cách có chọn lọc đối với nucleotit này hay nucleotit khác. Vì vậy trong những năm gần đây các nhà di truyền và chọn giống đánh giá cao triển vọng của phương pháp gây đột biến bằng các chất hóa học. Cách phát sinh các đột biến do hóa chất gây ra, về căn bản không khác gì với đột biến cảm ứng do các tác nhân lí học gây ra. Ngày nay người ta đã xác định được những hóa chất mà khả năng gây đột biến không thua gì các tác nhân lí học. Nếu nồng độ hóa chất quá thấp thì hiệu quả xử lý kém ngược lại nồng độ quá cao sẽ làm giảm sức sống của đối tượng xử lý. Để đảm bảo hoạt tính của các chất gây đột biến chỉ nên chuẩn bị dung dịch trước lúac xử lý không quá 30 phút và giữ trong bóng tối suốt thời gian xử lý. Các cơ quan dinh dưỡng như chồi, đỉnh sinh trưởng của thân củ . . có thể xử lý bằng cách nhúng vào dung dịch hóa chất gây đột biến, hay nhỏ giọt dung dịch mutagen hoặc dắp bông tẩm dung dịch lên các bộ phận đó. 3. Phát hiện và chọn lọc các đột biến 3.1 Phát hiện các đột biến Các đột biến ở cây sinh sản sinh dưỡng biểu hiện qua thể khảm, tức là trên một cây mang những mô hình bình thường và mô đột biến. Nếu tách chồi hoặc mô đột biến và nhân vô tính ta sẽ thu được các dạng đột biến. Cách làm này gọi là giải khảm. Chồi giảm khảm cần được trồng ở điều kiện được chăm sóc đặc biệt. Qua so sánh đánh giá nếu các dạng đột biến thu được trội hơn giống chuẩn thì được nhân ra để đưa vào sản xuất. 3.2 Chọn lọc đột biến Trong vô số những đột biến có thể có, nhà chọn giống chọn ra những đột biến có giá trị nhất để sử dụng chúng trong việc tạo ra giống mới. Các đột biến thu được có thể mang những đặc tính mới chưa có trong tự nhiên. Vai trò của phương pháp chọn giống đột biến ngày càng gia tăng. 43
CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Nêu ý nghĩa và vai trò của đột biến trong chọn giống cây trồng? Câu 2: Trình bày các phương pháp xử lý đột biến? Câu 3: Phát hiện và chọn lọc các đột biến như thế nào? 44
CHƯƠNG 6 LAI GIỐNG CÂY TRỒNG Giới thiệu: Nội dung bài nêu lên khái niệm và ý nghãi của lai giống, hình thức lại cùng loài và tác động di truyền khi lai. Mục tiêu: Kiến thức: + Trình bày được khái niệm và ý nghĩa của lai giống cây trồng + Hiểu được những tác động di truyền khi lai + Trình bày được khái niệm lai cùng loài Kỹ năng: + Biết được phương pháp lai giống cây trồng Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Vận dụng phương pháp lai để áp dụng cho từng loại cây trồng trong thực tế * Nội dung chương: 1. Khái niệm và ý nghĩa của lai giống 1.1 Khái niệm Lai là sự giao phối hai dạng cha mẹ khác nhau. Khi lai cây cha cung cấp phấn hoa, được ký hiệu bằng dấu O, cây mẹ tiếp nhận phấn hoa được ký hiệu bằng dấu nhân ( X ) dùng để chỉ sự lai. Thông thường khi viết công thức lai, cây mẹ được viết trước về bên trái, còn cây cha được viết sau về bên phải của dấu nhân. Các dạng cha mẹ thường được ký hiệu chung bằng chữ " P ", con lai được ký hiệu bằng chữ " F " với con số đi kèm biểu hiện thế hệ của con lai, ví dụ F1, F2, F3 v...v.. 1.2 Ý nghĩa Mặc dù trong toàn bộ quá trình chọn giống, khâu lai chỉ chiếm một tỉ lệ thời gian rất ngắn, nhưng nó lại có ý nghĩa rất to lớn. Cho đến nay, sự tái tổ hợp di truyền bằng cách lai vẫn là con đường chủ yếu để đạt được những thành tựu quan trọng trong chọn giống. Bằng cách lai có thể sáng tạo ra nhiều dạng hình mới chưa hề có trong tự nhiên; do đó lai giống có tác dụng thúc đẩy quá trình tiến hóa của sinh vật nói chung và của cây trồng nói riêng. So với một số phương pháp khác thì lai giồng là biện pháp chủ động hơn trong việc tạo ra những dạng hình mới có định hướng. * Tạo nguồn thực vật mới cho chọn giống Hiệu quả của các phương pháp chọn giống gắn liền với đặc điểm của nguồn vật liệu khởi đầu. Mặc dù các quần thể tự nhiên rất phong phú và đa dạng; song nếu việc chọn lọc tiến hành trực tiếp với các nguồn vật liệu khởi đầu này thì kết quả chọn lọc chỉ có thể đạt được đến một giới hạn nhất định, giới hạn đó do vốn gen của quần thể ban đầu xác định. Nói một cách khái quát hơn là chúng ta chỉ có thể chọn lọc được giống với những đặc tính do gen có sẵn trong quần thể ban đầu kiểm soát, chứ không thể nào tạo thêm cho giống mới những đặc tính không hề có trong quần thể ban đầu. Trong khi đó thì việc nâng cao yêu cầu đối với giống của nền nông nghiệp hiện đại đòi hỏi giống mới. Hai mục tiêu chính yếu của lai trong chọn giống là tạo nguồn vật 45
liệu mới và sản xuất ra hạt giống lai F1 nhằn ứng dụng ưu thế lai. Cơ sở di truyền của lai là sự tái tổ hợp gen. Khi lai, nhờ có sự tái tổ hợp các kiểu gen khác nhau, nên có thể cải tạo gần như vô hạn vốn gen của vật liệu chọn giống. Điều đó cũng có nghĩa là khả năng sáng tạo ra giống mới cũng được mở rộng gần như vô hạn nếu chọn đúng các kiểu gen thích hợp để lai tạo ra nguồn vật liệu khởi đầu. Như vậy lai giống không bao giờ mất ý nghĩa trong quá trình chọn giống, cho dù khoa học có tiến đến mức nào đi nữa , vì lai giống là cơ sở để áp dụng có hiệu quả những thành tựu mà những phương pháp khác tạo ra được. Ngay cả trong trường hợp người ta đã tạo ra được những đột biến có lợi bằng các tác nhân lý hay hóa học thì thông thường các tính trạng đột biến đó cũng được đưa vào giống mới qua con đường lai. Như vậy, ý nghĩa đầu tiên của lai là tạo ra nguồn vật liệu khởi đầu với những đặc tính tốt theo hướng mong muốn của con người. * Sản xuất hạt lai F1 nhằm ứng dụng ưu thế lai Việc ứng dụng ưu thế lai của hạt giống lai F1 ngày càng được mở rộng trong sản xuất, vì thu được hiệu quả kinh tế cao. Nếu như trước kia việc ứng dụng ưu thế lai đời F1 chỉ đạt được chủ yếu với các loài cây thụ phấn chéo như bắp, dưa hấu, dưa leo, củ cải đường, các loài cải làm rau. . . . .thì trong những năm gần đây phạm vi ứng dụng ưu thế lai được mở rộng sang cả đối với những cây có tỉ lệ thụ phấn cao như cao lương, cà chua, thuốc lá...Việc nghiên cứu ứng dụng giống lai F1 cũng đang được đẩy mạnh đối với lúa nước, lúa mì. 2. Những tác động di truyền, lai cùng loài và kỹ thuật lai 2.1 Những tác động di truyền Về mặt di truyền, mục tiêu của lai giống là tạo ra sự tái tổ hợp các kiểu gen thích hợp cho việc chọn tạo ra các giống mới. Tuy nhiên, trên thực tế tác động di truyền của việc lai có thể diễn ra theo cả hai chiều hướng : có lợi và không có lợi đối với mục tiêu chọn giống. Các tác động di truyền này là kết quả tổng hợp của những hiện tượng tái tổ hợp, phân ly, liên kết, tác động qua lại của các gen khác locus, độ thâm nhập mức biểu hiện của gen . . v . v . Điều cần ghi nhớ trước tiên là mối quan hệ giữa gen và tính trạng, hay nói cách khác là mối liên hệ giữa kiểu gen và kiểu hình. Hiện tượng liên kết gen cũng có thể có những tác động có lợi và những tác động không có lợi. Sự liên kết chặt chẽ giữa những gen có lợi với những gen không mong muốn là một trở ngại lớn trong chọn giống. Do có sự tương tác giữa các gen khác locus mà ở con lai có thể xuất hiện các đặc tính mới không có ở các dạng cha mẹ hoặc có mức biểu hiện gia tăng hay giảm đối với một số tính trạng nào đó theo hướng mong muốn đối với mục tiêu chọn giống. Về mặt hóa sinh biểu hiện của sự tương tác giữa các gen khác locus thường là một alen ở một locus này kiểm soát quá trình tổng hợp chất nào đó là cơ chất đối với quá trình khác do alen ở locus khác kiểm soát. Sự tái tổ hợp gen 46
và phân li ở con lai là những biến đổi về di truyền có thể dẫn đến sự phát sinh vô số kiểu gen và kiểu hình mới. Trong thực tế chọn giống người ta không thể phân tích sự khác biệt của từng gen một ở các dạng cha mẹ để có thể kết hợp vào con lai những gen tốt như trong lý thuyết. Khó khăn chủ yếu trong việc này là người gen có tác động nhiều mặt, mà chúng ta không thể xác định riêng biệt từng tác động.Trong thực tế sức sống và khả năng sinh sản sẽ rất khác nhau ở các cá thể có kiểu gen khác nhau, nên có sự sai biệt với số liệu tính toán theo lý thuyết. Thông thường các kiểu gen dị hợp tử có sức sống và khả năng sinh sản tốt hơn, nên tần số các kiểu gen dị hợp tử trong quần thể sẽ cao hơn số tính toán lý thuyết (Hình 6.1). Thế hệ Tần số dị hợp tử (%) F1 100 F2 50 F3 25 F4 12,5 F5 6,25 F6 3,125 F7 1,5625 F8 0,7813 F9 0,3907 F10 0,1954 Hình 6.1 Tỷ lệ cá thể đồng hợp tử ở các đời tự phối Mặc dù người ta không có khả năng xác định được số cặp gen dị hợp tử trong mỗi tổ hợp lai, các số liệu tính toán lý thuyết nói trên cũng có ý nghĩa rất lớn trong việc giúp nhà chọn giống có những hiểu biết gần đúng với thực trạng phân li của các tổ hợp lai để quyết định những biện pháp chọn lọc thích hợp. 47
2.2 Lai cùng loài Lai cùng loài là lai giữa các giống khác nhau thuộc cùng một loài. Hai khâu chính yếu trong lai là chọn các dạng cha mẹ để lai và xác định phương thức lai thích hợp. Các nguyên tắc cơ bản chọn cha mẹ để lai là: - Chọn cha mẹ căn cứ vào đặc điểm sinh thái địa lý. - Chọn cha mẹ căn cứ vào đặc điểm sinh thái địa lý. - Chọn cha mẹ căn cứ vào các giai đoạn sinh trưởng. - Chọn cha mẹ căn cứ vào tính kháng sâu bệnh. - Chọn cha mẹ căn cứ vào khả năng phối hợp. Để tạo giống lai có nhiều phương thức lai khác nhau. Việc chọn phương thức lai tùy thuộc vào nhiều yếu tố như đặc điểm sinh học của từng loại cây trồng, đặc điểm của nguồn vật liệu khởi đầu, yêu cầu đối với giống cần tạo ra . . . Có thể phân các phương thức lai ra làm hai nhóm chính : lai đơn giản và lai phức tạp. * Lai đơn giản : Lai đơn giản hay lai đơn là lai một lần giữa một cặp cha mẹ . Nếu kí hiệu dạng mẹ là A và dạng cha là B thì công thức chung của lai đơn giản là A x B.Trong cách lai đơn giản, con lai được hình thành là kết quả của sự tái tổ hợp kiểu gen của cây cha và cây mẹ với mức độ tương đương nhau. Trong chọn giống, cách lai thuận và nghịch được áp dụng trong hai trường hợp chủ yếu sau : - Khi tính di truyền của một đặc tính sinh học, kinh tế nào đó liên quan đến tế bào chất. - Khi khả năng kết hạt phụ thuộc vào cách lấy cây nào trong cặp để làm mẹ. Điều này thường xảy ra khi lai khác loài. Trong những trường hợp trên, ngoài vấn đề chọn đúng cặp cha mẹ để lai, việc chọn dạng nào làm cha, dạng nào làm mẹ có một ý nghĩa quan trọng cần được lưu ý đúng mức. * Lai phức tạp 48
Lai phức tạp là phương thức kết hợp vào con lai từ ba thành phần cha mẹ khác nhau trở lên, hoặc hồi giao nhiều lần một thành phần cha mẹ. Phương thức lai phức tạp bao gồm hai dạng : lai nhiều bậc và hồi giao. * Lai nhiều bậc Phương thức lai nhiều bậc được ứng dụng khi cần kết hợp vào con lai đặc tính di truyền của nhiều dạng cha mẹ khác nhau. * Hồi giao Hồi giao là cách lai trở lại với một trong hai giống cha mẹ, như (A B) A hoặc (A B) B . Tùy theo yêu cầu được đề ra, việc hồi giao chỉ tiến hành một lần hay lặp lại nhiều lần. Cách hồi giao một lần thường được áp dụng để khắc phục tính bất thụ của cây lai F1 khi lai xa. Các thế hệ hồi giao được kí hiệu BC.1, BC.2, BC.3. 2.3 Kỹ thuật lai Khử đực hoa là tiến hành loại bỏ hết những túi phấn khi còn chưa phát triển hoàn chỉnh, thông thường khoảng từ một đến ba ngày trước khi túi phấn chín. Lúc này các túi phấn chưa chín còn có màu xanh nhạt hoặc trắng ngà. Việc xác định đúng giai đoạn thích hợp của hoa để tiến hành khử đực là một khâu quan trọng để hạn chế đến mức tối thiểu hiện tượng tự thụ phấn. Để thuận tiện khi lai những loài cây có hoa nhỏ, người ta chế tạo những cặp kính lúp để mang khi làm việc nhằm phóng đại các bộ phận của hoa. Sau khi khử đực cần cách li bằng bao giấy các hoa cái đã khử đực xong để tránh hiện tượng thụ phấn ngẫu nhiên. Đối với những cây tự thụ phấn có hoa rất nhỏ. Việc lai thường được thực hiện ngay sau khi khử đực. Đối với những cây mà việc thụ phấn ít chịu ảnh hưởng của gió và côn trùng như đậu nành, đậu xanh, có thể bỏ qua khâu cách li. Khi khử đực cần chọn các hoa phát triển tốt, nằm ở những vị trí dễ đậu trái nhất trên cây. Để tạo điều kiện cho hạt lai phát triển tốt, cần loại bỏ bớt phần lớn các hoa không cần thiết ở những vị trí lân cận, hoặc đôi khi trên cả cây, nhằm tập trung chất dinh dưỡng của cây để nuôi các hạt lai. Mặc khác việc loại bỏ bớt một số hoa lân cận cũng là yêu cầu cần thiết để dễ dàng thực hiện các thao tác tỉ mỉ trong quá trình lai, giảm khả năng tự thụ phấn ngẫu nhiên và sự nhằm lẫn khi thu hạt lai. Phương pháp tạo hạt lai nhờ thụ phấn tự do thường được áp dụng để thu lượng hạt lai lớn, như sản xuất hạt lai F1. Dụng cụ thông dụng được dùng để tách bỏ các túi phấn của hoa là các kẹp gắp hoặc que nhọn với kích thước và hình dáng khác nhau tùy thuộc vào hình thái của loại hoa cần lai. Dùng kẹp gắp bỏ hết tất cả các phấn. Cần lưu ý tránh làm vỡ bao phấn, vì phấn rơi ra có thể gây hiện tượng tự phối. Thao tác cần nhẹ nhàng để hạn chế gây tổn thương cho hoa. Khử đực hoa của các loài cây tự thụ phấn là một việc làm tỉ mỉ. đòi hỏi sự khéo léo và nhiều thời gian, nên trong nhiều trường hợp đã trở thành yếu tố hạn chế qui mô lai giống. Để khắc phục khó khăn trên, người ta ứng dụng một số biện pháp kĩ thuật cho phép khử đực hàng loạt hoa như xử lý nhiệt độ cao, xử lí 49
cồn, hóa chất . .v . . v . .Tùy từng trường hợp cụ thể người ta áp dụng thời gian và cường độ xử lí khác nhau. Các biện pháp kĩ thuật này dựa trên cơ sở đặc điểm sinh học của hoa là thông thường so với noãn, phấn hoa mẫn cảm hơn đối với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi. Đối với các cây có hoa đơn tính chỉ cần dùng bao thích hợp để bao cách li các hoa cái cần lai trước khi hoa nở. Hoa thường nở tập trung vào buổi sáng và buổi sáng cũng là lúc thụ phấn tốt nhất. Nếu trường hợp không cần lai ngay sau khi khử đực hàng loạt thường được tiến hành vào buổi chiều và thời gian thuận lợi nhất trong buổi sáng được dành để lai. Khi thu thập phấn cây cha cần chọn những cây khỏe mạnh, có nhiều phấn tốt và có đầy đủ đặc điểm tiêu biểu của giống. Kết quả lai đạt tốt nhất khi sử dụng phấn của các bao phấn vừa chín để thụ phấn. Để tránh hiện tượng lẫn phấn lạ do gió và côn trùng các hoa dự tính lấy phấn thường được cách li một thời gian trước khi thu thập phấn. thời gian cách li phải dài hơn tuổi thọ của hạt phấn trong điều kiện tự nhiên khi đã rời khỏi túi phấn. Tuổi thọ của hạt phấn nhiều loại cây trồng thường không vượt quá 10 giờ trong điều kiện tự nhiên, vì vậy thời gian cách li 16 - 24 giờ đủ đảm bảo các hạt phấn lạ rơi lên hoa trước đã mất sức sống. Tùy loại hoa và kích thước của hoa người ta áp dụng các loại bao cách li khác nhau. Như vậy phấn được thu thập trong các bao cách li để sử dụng vào ngày hôm sau. Trước khi tháo bao cần giữ bao cho thế nằm ngang và run cho phấn rơi vào bao. Đối với một số loại cây trồng phấn hoa được thu từ các cành mang hoa đã cắt từ ngày hôm trước và cắm trong các bình chứa nước ở trong phòng. Đối với các loài hoa tương đối lớn có thể dùng các biện pháp khác nhau để giữ cho các cánh hoa đừng nở ra. Trong trường hợp giống cha trổ trước giống mẹ thì có thể thu thập và bảo quản phấn một thời gian trong chai và cất giữ ở chỗ khô với nhiệt độ thấp. Thời gian bảo quản tùy thuộc rất nhiều vào đặc điểm của loài cây trồng, ví dụ hạt phấn của cây thầu dầu chỉ có thể bảo quản được dưới 3 ngày, hạt phấn của cây kê được khoảng 1 tuần, hạt phấn của cà chua được vài tuần lễ, còn hạt phấn của khoai cây có thể bảo quản được 1 tháng ở nhiệt độ 2,50C, còn hạt phấn của cây củ cải đường có thể bảo quản được 5 năm trong bình hút ẩm ở nhiệt độ từ 0 đến 10 0C. Khi lai cần biết rõ thời gian sống và sức sống của hạt phấn và noãn. Thời gian sống của noãn tùy loại cây trồng và điều kiện ngoại cảnh thường thay đổi trong khoảng từ 3 đến 10 ngày. Việc thụ phấn có khi được tiến hành ngay sau khi khử đực như đối với đậu xanh, đậu nành, nhưng cũng có khi tiến hành một vài ngày sau khi khử đực. Đối với đa số cây trồng người ta tiến hành khử đực vào ngày hôm trước và thụ phấn vào sáng hôm sau. Trong quá trình lai, để tránh việc lẫn phấn ngẫu nhiên mỗi lần chuyển từ giống này sang giống khác cần những dụng cụ dùng để lai vào cồn. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Khi lai cùng loài nên chọn cha mẹ có đặc điểm gì? Và các bước tiến hành khi lai bằng phương pháp này? Câu 2: Lai xa là gì? Phương thức lai xa có được áp dụng rộng rãi ở thực vât ? Câu 3 : Các nguyên tắc cơ bản trong việc chọn cha mẹ để lai ? Câu 4: Kỹ thuật lai phụ thuộc vào những yếu tố nào ? 50
CHƯƠNG 7 ƯU THẾ LAI VÀ ỨNG DỤNG ƯU THẾ LAI TRONG CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG Giới thiệu: Ưu thế lai là hình thức lai hữu tính tận dụng ưu điểm của bố mẹ để tạo ra con lai. Nội dung bài trình bài khái niệm, các kiểu ưu thế lai, ứng dụng ưu thế lai trong chọn giống. Mục tiêu: Kiến thức: + Trình bày được các khái niệm của ưu thế lai, ưu thế lai khác dòng + Trình bày được các kiểu ưu thế lai, cơ sở di truyền ưu thế lai + Trình bày được một số thành tựu ứng dụng ưu thế lai Kỹ năng: + Biết được phương pháp sử dụng tính bất dục trong ưu thế lai + Biết được phương pháp duy trì ưu thế lai trong chọn giống cây trồng Năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Vận dụng những ưu điểm của ưu thế lai để lai giống cây trồng cho năng suất cao + Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mĩ * Nội dung chương: 1. Khái niệm và những biểu hiện của ưu thế lai ở thực vật 1.1 Khái niệm ưu thế lai Ưu thế lai (heterosis) là hiện con lai có cường độ phát triển, sức sống hoặc khả năng sinh sản cao hơn mức trung bình của các dạng cha mẹ. Trong tự nhiên, hiện tượng ưu thế lai gắn liền với sự xuất hiện và hoàn hảo dần của phương thức thụ phấn chéo trong quá trình tiến hóa của sinh vật. Danh từ "ưu thế lai " lần đầu tiên được G.Shell đưa ra năm 1914 để ghi nhận ưu thế của cây lai dị hợp tử so với các dạng cha mẹ. Ưu thế lai thể hiện ra nhiều mặt như sinh lý, hóa sinh, sinh trưởng, năng suất, tính thích nghi . Về thời gian sinh trưởng ưu thế lai có thể biểu hiện qua sự rút ngắn một số giai đoạn sinh trưởng nào đó ở con lai so với cha mẹ. A. Gustafsson đề nghị phân hiện tượng ưu thế lai ra làm ba dạng : (1) Dạng sinh sản - biểu hiện ở mặt cây lai có các cơ quan sinh sản phát triển hơn, năng suất trái, hạt cao hơn mức trung bình của các dạng cha mẹ. (2) Dạng sinh trưởng - biểu hiện ở mặt các cơ quan sinh dưỡng của cây lai phát triển mạnh hơn mức trung bình của các cha mẹ. (3) Dạng thích nghi - biểu hiện ở mặt các cây lai có sức sống và khă năng thích nghi với môi trường sống cao hơn mức trung bình của các dạng cha mẹ. Do ưu thế lai có thể chỉ biểu hiện ở từng mặt, nên không phải bao giờ ưu thế lai cũng có giá trị về phương diện nông nghiệp. Theo quan điểm này, Th. Dobzhansky (1952) đề nghị phân biệt hai dạng : ưu thế lai thật (có giá trị nông nghiệp) và ưu thế lai không có giá trị nông nghiệp thường biểu hiện ra ở một sự phát triển quá mức các cơ quan sinh dưỡng. Mặt khác, không phải bất cứ tổ hợp lai nào cũng đều có ưu thế là ưu thế lai chỉ biểu hiện ở một số tổ hợp lai nhất định. 51
1.2 Những biểu hiện của ưu thế lai Khi lai hai giống với nhau (cùng loài hay khác loài), có thể thu được con lai với ba mức độ biểu hiện kiểu hình khác nhau so với các dạng cha mẹ : (1) tốt hơn hẳn dạng cha mẹ tốt nhất; (2) đạt mức độ trung gian giữa haidangj cha mẹ; (3) kém hơn cả hai giống cha mẹ. Mức biểu hiện ưu thế lai trung bình ở các loài cây trồng không giống nhau và tùy thuộc vào đặc điểm sinh học của loài, nhìn chung, các giống lai F1 được phổ biến ra sản xuất có năng suất cao hơn các giống thường khoảng 15 - 30%, nhưng mức chênh lệch về mặt này ở các loài cây trồng khá lớn. Có trường hợp ưu thế lai thể hiện mạnh khi lai khác loài, nhưng cũng có trường hợp lai cùng loài có ưu thế lai cao hơn. Thông thường ưu thế lai thể hiện trong trường hợp tự lai giữa các giống hoặc dòng có kiểu gen và đặc điểm sinh thái khác xa nhau. Đối với nhiều tính trạng số lượng có ý nghĩa kinh tế quan trọng, mức biểu hiện ưu thế lai thường chiếm vị trí trung gian của các dạng cha mẹ. Vì lý do đó, sự khác biệt của các tính trạng này giữa các dạng cha mẹ không phải lúc nào cũng có tác dụng tốt. 2. Sử dụng các dòng tự phối trong chọn giống ưu thế lai, các kiểu ưu thế lai khác dòng 2.1 Khái niệm về dòng tự phối -Tự phối là sự kết hợp của hai giao tử tới từ cùng một cá thể. Tự phối chủ yếu được quan sát dưới dạng tự thụ phấn, một cơ chế sinh sản xuất hiện ở nhiều loài thực vật có hoa. Tuy nhiên, cũng đã quan sát được hiện tượng tự phối ở những loài sinh vật nguyên sinh với tư cách là một phương pháp sinh sản. Thực vật có hoa thực hiện tự phối một cách đều đặn, trong khi sinh vật nguyên sinh chỉ thực hiện tự phối khi ở trong các môi trường gây căng thẳng. - Có một vài ưu điểm của sự tự phối quan sát được ở thực vật có hoa và sinh vật nguyên sinh. Ở thực vật có hoa, đối với một số loài, việc không phụ thuộc vào các tác nhân giúp thụ phấn là một việc quan trọng hơn ở một số loài khác. Tuy nhiên, điều này là bất thường nếu xét đến việc nhiều loài thực vật đã tiến hóa để trở nên không tương thích với chính giao tử của chúng. Trong khi đối với những loài sự tự phối không phải là một cơ chế sinh sản phù hợp, thì ở những loài không tồn tại việc không tương thích với chính mình khác, sẽ thu được lợi từ sự tự phối. Các loài sinh vật nguyên sinh có lợi thế trong việc đa dạng hóa chế độ sinh sản của chúng. Điều này là có lợi vì nhiều lý do. Nếu như có một sự thay đổi bất lợi nào trong môi trường mà khiến việc sinh con gặp nguy hiểm, thì sinh vật nào có khả năng tự phối sẽ có lợi hơn. Ở các sinh vật khác, đa dạng di truyền nảy sinh từ sinh sản hữu tính được duy trì bằng các thay đổi trong môi trường mà thiên vị một loại cấu trúc di truyền hơn loại khác. - Đối với thực vật có hoa, tự phối có nhược điểm là cho ra lượng đa dạng di truyền thấp ở những loài mà sử dụng nó như là phương thức sinh sản chủ yếu. Điều này khiến những loài đó đặc biệt dễ nhiễm mầm bệnh và virus có thể gây hại cho loài. Thêm nữa, loài trùng lỗ sinh sản bằng phương thức tự phối, kết quả là đã sinh ra thế hệ sau nhỏ hơn về cơ bản. 52
2.2 Phương pháp tạo dòng tự phối Tự phối là hình thức cận giao với mức độ cao nhất, nên mức độ chuyển sang trạng thái đồng hợp tử đạt mức độ nhanh nhất. Số kiểu gen đồng hợp tử phân li ra từ một kiểu gen ban tùy thuộc vào số locus dị hợp tử của kiểu gen đó. Trên lý thuyết, nếu kiểu gen ban đầu có n locus dị hợp tử thì có khả năng thu được 2n kiểu gen đồng hợp tử khác nhau. Ở cây giao phấn, nếu việc giao phối giữa các giống hoặc dòng cho con lai có sức sống tốt hoặc bình thường, thì quá trình tự phối sẽ phá vỡ sự cân bằng di truyền của quần thể ban đầu và kéo theo giảm sút sức sống của cây do sự gia tăng mức độ đồng hợp tử, đặc biệt là trạng thái đồng hợp tử của các gen lặn. Quần thể vật liệu khởi đầu mang nhiều gen lặn, nhưng trạng thái dị hợp tử vẫn bảo đảm cho các cá thể có sức sống bình thường, vì ở trạng thái này tác động có hại của các gen lặn bị các gen trội lấn át đi. Trong quá trình tự phối dần dần các gen lặn chuyển sang trạng thái đồng hợp tử, nên tác hại của chúng bộc lộ ra. Điều này dẫn đến sự giảm sút sức sống của cây. Như vậy sự giảm sút sức sống của dòng không phải do bản thân hiện tượng tự phối, mà do sự phân ly di truyền dẫn đến trạng thái đồng hợp tử của kiểu gen. Biểu hiện thường thấy nhất của sự giảm sút sức sống, ngoài sự giảm kích thước của cây, trái, số lượng hạt, là sự tăng độ bất dục và phát sinh nhiều biến dị có hại. Mức ảnh hưởng này tùy thuộc vào đặc điểm sinh học của cây trồng, có loại chịu ảnh hưởng mạnh như bắp, cà rốt, bắp cải, có loại bị ảnh hưởng ít như hướng dương, hành bầu, bí. Mặt khác, không phải tất cả các quá trình sinh lý, sinh hóa đều bị kèm hãm với mức độ như nhau ở các dòng tự phối, mà có quá trình này bị ảnh hưởng nhiều hơn, còn những quá trình khác bị ảnh hưởng ít hơn. Ngoài một số dòng bị đào thải do các gen ở dạng đồng hợp tử gây ra, ở các dòng còn lại, sức sống giảm mạnh nhất ở các đời tự phối đầu, sau đó mức độ giảm chậm dần lại. Trước kia người ta thường nhấn mạnh quá đáng đến tác của gen trong quá trình tạo dòng thuần. Tuy nhiên, ngày nay chúng ta biết rằng các dòng tự phối tiếp tục giảm sức sống khi còn hiện tượng chuyển các gen lặn sang dạng đồng hợp tử. Khi hiện tượng này không còn nữa thì dòng sẽ đạt được trạng thái ổn định lâu dài trừ trường hợp xảy ra đột biến mới. Cần lưu ý là không phải từ bất nguồn vật liệu khởi nào cũng đều có khả năng tạo ra được những dòng thuần có giá trị, mà chỉ có một số ít vật liệu khởi có khả đó Vật liệu khởi đầu để tạo dòng tự phối có thể là giống địa phương, giống nhập nội hoặc giống lai. Trước kia các dòng thuần được tạo chủ yếu từ các quần thể giống địa phương chọn lọc, nhưng ngày nay các dòng thuần được tạo chủ yếu từ các giống lai tốt. Tùy theo mục tiêu đặt ra và khả năng của nhà chọn giống, việc tự phối phải được tiến hành từ 200 cá thể của nguồn vật liệu khởi đầu trở lên. Những cây được chọn để tự phối phải khỏe, không sâu bệnh, không đổ ngã và có những đặc tính tốt khác. Vì lúc tự phối các đặc tính của cây chưa biểu hiện ra hết, nên cần tuyển chọn lại những cây tự phối một lần nữa vào lúc thu hoạch. Trong trường hợp dòng được dùng để sản xuất các giống lai vẫn còn mang một vài nhược điểm và truyền những nhược điểm này lại cho giống lai, thì vấn đề đặt ra là cần cải tạo dòng về các tính trạng xấu còn lại, mà không làm tổn hại đến các đặc tính tốt của dòng và giống lai. Biện pháp thường được áp dụng có hiệu quả để cải tạo dòng trong trường hợp này là lai tích lũy với dạng có ưu điểm nổi bật về đặc tính mà dòng muốn cải tạo cần có. 53