Giáo trình Chọn giống cây trồng (Nghề: Khoa học cây trồng - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Chọn giống cây trồng phần 2, cung cấp cho người học những kiến thức như: Đột biến cảm ứng và các dạng đột biến trong chọn giống; Lai giống cây trồng; Ưu thế lai và ứng dụng ưu thế lai trong chọn giống cây trồng; Các phương pháp trong chọn giống thực vật; Kiểm định 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: Khoa học cây trồng - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp

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
2.3 Các kiểu ưu thế lai khác dòng Có các loại ưu thế lai sau: - Ưu thế lai sinh sản: Biểu hiện ở sư phát triển mạnh của cơ quan sinh sản, số hoa, số quả nhiều, độ hữu dục cao nên năng suất cao hơn. - Ưu thế lai dinh dưỡng : biểu hiện ở sư phát triển mạnh của các bộ phận dinh dưỡng (rễ, thân, lá ...). Làm cho cây lai có nhiều cành nhánh, thân cao to, lá lớn, rễ nhiều, nhiều củ… - Ưu thế lai thích ƣ́ng : Biểu hiện ở sƣ́c sống mạnh hơn , tính chống chịu cao hơn. - Ưu thế lai tích lũy: Là sự tăng cường tích lũy các chất vào các bộ phận của cây như hàm lượng tin bột, protein, dầu, đường … Đặc điểm của ưu thế lai:Khả năng cho năng suất cao; Khả năng tích luỹ chất khô cao; Khả năng thích nghi rộng; Cường lực cây con thể hiện sớm và mạnh, giảm dần ở F2 và các thế hệ sau; Hệ thống rễ phát triển mạnh; Có tính kháng mạnh. Xuất hiện ưu thế lai âm về thời gian sinh trưởng ở một số cây. 3. Sử dụng tính bất dục trong chọn giống ưu thế lai 3.1 Khái niệm đực bất dục Hiện tượng đực bất dục là do giao tử đực không có sức sống . . . hiện tượng này có cả ở cây tự thụ phấn cũng như cây giao phấn là do các đột biến làm ngững trệ sự phát triển của giao tử đực vào những giai đoạn khác nhau. Như vậy về thực chất, tính đực bất dục là một hiện tượng có hại đối với sinh vật, mặc dù nó được con người lợi dụng một cách khôn khéo để phục vụ cho lợi ích của mình trong việc chọn giống. Hiện tượng đực bất dục thường thấy trong tự nhiên có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra như điều kiện bất lợi của môi trường, yếu tố di truyền như sai hình nhiễm sắc thể hay do các gen trong nhân tế bào, do yếu tố di truyền trong tế bào chất hoặc do sự tác động tổng hợp của các yếu tố di truyền trong nhân và tế bào chất. Hiện tượng đực bất dục do điều kiện ngoại cảnh bất lợi như hạn hán, nhiệt độ quá thấp, thiếu dinh dưỡng không di truyền lại cho thế hệ sau. Hiện tượng đực bất dục do gen trong nhân thường gặp ở một số loài cây trồng. Trong trường hợp này nguyên nhân của tính bất dục là do tác động của một gen lặn ở dạng đồng hợp tử. Trong một thời gian dài, các phát hiện về tính đực bất dục gen - tế bào chất không được chú ý đúng mức, mặc dù hướng ứng dụng đặc tính này để sản xuất hạt giống bắp lai mà không phải khử đực cây mẹ đã được Khadjinốp đề xuất từ sau khi có sự phát hiện được tính đực bất dục này ở cây bắp. 3.2 Các kiểu đực bất dục Những nghiên cứu về cơ sở di truyền của tính đực bất dục gen - tế bào chất cho thấy hiện tượng này chỉ xảy ra khi có sự phối hợp giữa yếu tố đực bất dục S trong tế bào chất với gen lặn rf ở dạng đồng hợp tử trong nhân. Alen trội Rf (restaurer of fertility) mặc dù không làm thay đổi yếu tố đực bất dục S trong tế bào chất, nhưng 54
kèm hãm sự biểu hiện của yếu tố này. Gen phục hồi hữu dục Rf không alen với gen bất dục đực ms (male sterile) là những gen cũng gây ra hiện tượng bất dục của phấn hoa, nhưng không có liên quan gì đến tế bào chất. Bảng 7.1: Sự tương quan giữa kiểu gen, kiểu bào gen, kiểu hình của cây bắp trong hiện tượng đực bất dục gen - tế bào chất Kiểu gen Kiểu bào gen Kiểu hình rf rf S Bất dục Bất đực dục rf rf N Hữu dục Hữu dục RfRf hoặc Rfrf N Hữu dục Hữu dục RfRf hoặc Rfrf S Bất dục Hữu dục Bảng 7.1 cho thấy, hạt phấn của cây bắp chỉ bất dục trong trường hợp tế bào chất mang yếu tố đực bất dục S và nhân tế bào không mang gen phục hồi hữu dục Rf như trường hợp kiểu gen - tế bào chất rf rf S. Nếu cho các cây có kiểu gen Rf rf S tự phối thì trong đời sau sẽ có 1/4 số cây có kiểu gen rf rf S với kiểu hình đực bất dục. Điều này chứng tỏ gen Rf không làm thay đổi cấu trúc của yếu tố bất dục đực S trong tế bào chất, mà chỉ kèm hãm hoạt động của yếu tố này, nên chỉ tác động lúc nào nó có mặt. Alen rf không phục hồi được tính hữu dục nên được gọi là alen củng cố bất dục Alen Rf gọi là alen phục hồi tính hữu dục. Để nhân dòng đực bất dục gen - tế bào chất, cần phải thụ cho nó bằng hạt phấn của dòng hữu dục tương đương với kiểu gen rfrf N . Trong sản xuất, người ta gieo các dòng bất dục đực và các dòng hữu thụ xen kẽ nhau ở một khu vực cách ly, như cách sản xuất hạt giống lai của cây giao phấn. Khi thu hoạch chỉ giữ lại hạt của cây đực bất dục làm giống. Dạng đực bất dục gen - tế bào chất Mônđavi thường được kí hiệu bằng chữ "M" do Covarski phát hiện đầu tiên trên một giống bắp địa phương ở Mônđavi - Liên Xô. Dạng này có đặc điểm là trong túi phấn phần lớn hạt phấn nhăn nheo, không có sức sống, có thể lẫn một số ít hạt phấn hữu dục, nhưng vì túi phấn không vỡ ra, nên hạt phấn không tung ra ngoài được. Dạng đực bất dục Texas thường được kí hiệu bằng "T" do Mangelsdorf phát hiện đầu tiên ở 55
bang Taxas - Mỹ, trên giống Maxican June. Dạng này có đặc điểm là toàn bộ hạt phấn đều bất dục. Nhìn chung dang M thường gặp nhiều hơn trong tự nhiên. Ở Mỹ dạng này còn được ký hiệu bằng chữ "S" hoặc "U.S.D.A ". Dạng T biểu hiện tính đực bất dục cao hơn, ít chịu ảnh hưởng của điều kiện môi trường, các bao phấn suy thoái mạnh, một số ít tách ra khỏi hoa nhưng đều không nứt. Hai dạng bất dục đực T và M còn phân biệt với nhau theo phản ứng đối với các gen phục hồi tính hữu dục. Những điều vừa được trình bày ở trên là cơ sở di truyền của khả năng kết hợp vào trong một dòng đồng thời tính phục hồi phấn của cả hai dạng đực bất dục T và M. Dựa vào các phản ứng đối với các gen phục hồi tính hữu dục, có thể phân các dòng tự phối thành các nhóm sau: - Nhóm dòng tự phối phục hồi phấn dạng T, nhưng cũng có tính đực bất dục dạng M. Nhóm này có kiểu gen rf1, rf2, rf3 hoặc Rf1, rf2, Rf3. - Nhóm dòng tự phối cũng có dạng bất dục T nhưng phục hồi phấn dạng M. Nhóm này có kiểu gen rf1, rf2, rf3 hoặc Rf1, rf2, Rf3. - Nhóm cũng cố tính đực bất dục của cả dạng T và dạng M như các dòng : VIR29, VIR 40. Nhóm này có kiểu gen Rf1 Rf2 rf3. Cho đến đây, để đơn giản hóa, chúng ta kí hiệu chung các gen phục hồi tính đực bất dục tế bào chất là Rf, nhưng trong thực tế có đến 3 cặp gen khác nhau (rf1 / Rf2), rf2, rf3 / Rf3) giữ chức năng này. Khả năng phục hồi hạt phấn đối với dạng đực bất dục T có được do tác động bổ sung của hai gen Rf1 và Rf2, còn đối với dạng đực bất dục M thì do gen Rf3. Phần lớn các giống bắp đều có Rf2, vì vậy sự khác biệt giữa dòng hữu dục và bất dục đực dạng T chủ yếu là phụ thuộc vào sự hiện diện hoặc thiếu gen Rf1. Các gen Rf1 và Rf3 nằm trên hai nhiễm sắc thể khác nhau nên dễ dàng kết hợp chúng vào trong một cá thể. Theo Uxchinôva (1959) thì hạt phấn của cây đực bất dục nghèo axit ascorbic, aminoaxit, heteroauxin và dâu. Kết quả nghiên cứu của Chang cho thấy ở cây đực bất dục, các bao phấn trong giai đoạn phát triển đầu không có prolin và 56
asparagin, nhưng đến giai đoạn phát triển sau thì các hợp chất này lại tích lũy nhiều hơn so với bao phấn ở cây bình thường. Các cây đực bất dục tế bào chất có một số đặc điểm khác với các cây bình thường, như ở bắp thì cờ kém phát triển, các hoa lép không nở, nếu có nở thì nở lộn xộn không theo quy luật chung, hạt phấn thường nhăn nheo và không chứa tính bột. Trong nhiều trường hợp, yếu tố đực bất dục trong tế bào chất còn có tác động kèm hãm đối với một số mặt như số lá trên cây, chiều cao cây, chiều cao đóng trái, chiều dài bông cờ. . .. Nhìn chung các cây đực bất dục dạng "T" bị kèm hãm nhiều hơn dạng "M". Các nghiên cứu của M.I Khadjinốp cho thấy năng suất giống bắp lai thường và giống lai có ứng dụng tính đực bất dục gen- tế bào chất tương đương với nhau. Trong nhiều trường hợp còn có xu hướng tăng năng suất chút ít khi chuyển giống bắp lai thường sang giống lai ứng dụng tính đực bất dục tế bào chất, nhất là đối với dạng "M". Tuy nhiên, nhìn chung có thể nói, giá trị của hai dạng đực bất dục "T" và "M" đều như nhau, cho nên chọn dạng nào để ứng dụng là tùy thuộc vào sự thuận tiện trong từng tổ hợp lai cụ thể. 3.3 Phương pháp sử dụng tính bất dục trong chọn giống ưu thế lai Việc ứng dụng đực bất dục gen - tế bào chất đã mang lại nhiều hiệu quả kinh tế to lớn trong sản xuất hạt lai F1 của nhiều loại cây trồng như bắp, cao lương bắp cải, hành tây . . . Trong sản xuất hạt bắp lai đơn, người ta dùng tổ hợp một dòng đực bất dục có kiểu gen và bào gen rfrf S làm mẹ để lai với một dòng cha hữu dục đực, có kiểu gen và bào gen RfRf S hoặc RfRf N Hạt F1 sẽ có kiểu gen và bào gen Rfrf S nên hạt phấn phát triển bình thường đảm bảo được sự thụ phấn tốt cho hoa cái Cũng tương tự như trên, để sản xuất hạt lai kép, bước đầu cấu tạo ra giống lai đơn đực bất dục, dùng làm mẹ cho bước lai thứ hai. Giống lai đơn dùng làm cho phải có khả năng phục hồi tính hữu dục đực. Trong trường hợp giống này cũng được tạo trên cơ sở ứng dụng tính đực bất dục tế bào chất, theo cách thông thường, thì nó sẽ có kiểu gen Rfrf S. Như vậy hạt lai kép sẽ gồm hai dạng : đực hữu dục Rfrf S và đực bất dục S Mỗi dạng chiếm khoảng 50% số cá thể. Số lượng hạt phấn trong quần thể chỉ còn bằng một nửa quần thể bình thường. Tuy nhiên, vì số lượng hạt phấn trên mỗi cờ bắp thường rất lớn (có thể trên 10 triệu hạt), nên trong điều kiện bình thường, một nửa 57
số cá thể hữu dục trong quần thể cũng cung cấp đủ lượng hạt phấn cho cả ruộng. Sơ đồ sản xuất hạt giống lai kép này, tuy cho phép loại trù hoàn toàn khâu khử đực, song lại có nhược điểm là chỉ có một nửa số cá thể lai có khả năng cho hạt phấn bình thường. Trong điều kiện gặp môi trường không thuận lợi như hạn hán, nóng, rét . . . điều khá thường xảy ra trong sản xuất nông nghiệp, lượng hạt phấn trên các cây hữu dục bị giảm, không đủ đảm bảo thụ cho trái, thì năng suất sẽ bị ảnh hưởng đáng kể. Cần lưu ý là khi chuyển việc sản xuất giống lai thường sang giống lai trên cơ sở ứng dụng tính đực bất dục, trong nhiều trường hợp vì gặp khó khăn trong việc tạo dòng đực bất dục hay phục hồi phấn tương đương, người ta thay đổi vị trí của các dạng cha mẹ. Sự thay đổi này thường không có ảnh hưởng lớn đến năng suất của giống lai. 4. Cơ sở di truyền ưu thế lai, phương pháp duy trì và một số thành tựu ứng dụng ưu thế lai trong chọn giống cây trồng 4.1 Cơ sở di truyền của ưu thế lai * Thuyết tính trội : (The dominance hypothesis) Thuyết tính trội về ưu thế lai được C.B Davenport đề xuất vào năm 1908 và sau đó được D.F Jones bổ sung vào năm 1917. Thuyết minh trội gắn liền ưu thế lai với tác động nhiều mặt của các gen trội biểu hiện qua hai loại hiệu ứng : hiệu ứng trội và hiệu ứng tương tác giữa các gen trội khác locus. Hiệu ứng trội biểu hiện ở dạng dị hợp tử khi tác hại của gen lặn bị tác động của gen trội cùng locus lấn át đi. Nếu một tính trạng nào đó ở các dạng cha mẹ biểu hiện xấu do tác hại của gen lặn ở trạng thái đồng hợp tử thì ở con lai dị hợp tử tác hại đó sẽ không còn nhờ tác động lấn át của gen trội. Nếu các dạng cha mẹ có nhiều đặc tính xấu khác nhau, do mang các gen lặn ở trạng thái đồng hợp tử , thì ở con lai dị hợp tử ở các locus nói trên đều mang một alen trội nên cây con sẽ không có các nhược điểm của cha mẹ, Điều đó có nghĩa là có biểu hiện ưu thế lai. Về mặt này, di truyền học sinh hóa giải thích tác hại của gen lặn lên quá trình trao đổi chất của cơ thể qua hai mặt tác động trực tiếp và gián tiếp.Một là các đột biến lặn hoặc làm mất hẳn khả năng tổng hợp của một enzym tương ứng hoặc làm thay đổi thành phần hóa học hay cấu trúc của enzym đó. Đấy là tác động xấu trực tiếp của các gen lặn. Hai là do việc mất hẳn khả năng tổng hợp một enzym nào đó hay thay đổi thành phần và cấu trúc của enzym mà phản ứng sinh hóa do enzym đó xúc tác bị tê liệt, nên không tạo ra được sản phẩm tương ứng cần thiết cho quá trình trao đổi chất của cây. Đó là mặt tác động gián tiếp của gen lặn. Thông thường ở dạng dị hợp tử, sự có mặt của một alen trội trong locus cũng đủ tạo ra một lượng enzym cần thiết cho quá trình trao đổi chất. Hiệu ứng tương tác giữa các gen trội khác locus (opistasis). Sự tương tác giữa các gen trội khác locus có thể dẫn đến hiệu quả làm gia tăng khả năng sinh trưởng và phát triển của cây lai. Trong phần lớn các trường hợp thì sự tương tác giữa các gen khác locus thường phức tạp hơn nhiều và chưa được nghiên cứu kỹ. Nhìn chung, nhờ có tương tác giữa các gen khác locus, có thể tạo ra các con 58
lai với những đặc tính trội hơn các dạng cha mẹ hoặc có thêm những đặc tính mới mà cả hai dạng cha mẹ đều không có. Mặc dù thuyết minh trội được nhiều người công nhận và ứng dụng thành công trong việc tạo giống lai có ưu thế lai cao, nó vẫn không giải thích được đầy đủ các vấn đề di truyền liên quan đến ưu thế lai. Tuy vậy, cũng cần phải nhấn mạnh là các gen lặn trong thực tế không phải không phải lúc nào cũng có hại đối với quá trình sống của sinh vật, mà trong một số trường hợp thậm chí chúng còn có những tác động tích cực như tính kháng một số loài sâu bệnh. * Thuyết siêu trội : (The Overddominance hypothesis) Thuyết này do G.H. Shull và E.M. East đề xuất đồng thời văn năm 1908. Nếu thuyết tính trội giải thích ưu thế lai dựa hoàn toàn trên cơ sở tác động của các gen trội, thì thuyết siêu trội xem ưu thế lai là kết quả tác động của các alen khác nhau thuộc cùng một locus. Thuyết siêu trội gắn liền ưu thế lai với kiểu gen dị hợp tử sẽ có tác động tốt hơn là trạng thái đồng hợp tử, cho dù là đồng hợp trội và mức biểu hiện ưu thế lai gia tăng cùng sự gia tăng mức độ dị hợp tử . Vì lý do đó một số người còn gọi thuyết này là thuyết ưu thế lai đơn gen (single - gene heterosis hypothesis) hay thuyết tác động tích lũy của các alen khác nhau thuộc cùng một locus. Cơ sở lý luận của thuyết siêu trội là các alen trội và lặn thuộc cùng một locus giữ những chức năng khác nhau trong quá trình sống của sinh vật, nên chúng có tác động bổ sung lẫn nhau . Như vậy, theo thuyết này không thể nào thu được thể đồng hợp tử có sức sống bằng thể dị hợp tử. Các nhà nghiên cứu đề xuất một số mô hình sinh hóa để giải thích cơ chế của hiện tượng ưu thế lai do kiểu gen dị hợp tử : - Tác động bổ sung của các alen cùng locus. Trong trường hợp này hai alen trong cùng một locus đảm nhận những chức năng di truyền khác nhau, điều khiển sự tổng hợp các enzym có tính năng khác nhau trong quá trình trao đổi chất . Các enzym này có tác dụng bổ sung lẫn nhau nên có hiệu quả cao hơn là từng enzyme riêng biệt ở các cây đồng hợp. - Một khả năng khác có thể dẫn đến hiện tượng ưu thế lai, là hai alen trong cùng một locus hay nói đúng hơn các enzym sản phẩm của hai alen trên xúc tác cùng một quá trình sinh hóa, nhưng trong những điều kiện khác nhau của môi trường. Khác với các cây đồng hợp tử cha mẹ, quá trình trao đổi chất trên chỉ có thể diễn ra hoặc ở nhiệt độ cao, hoặc ở nhiệt độ thấp. - Trường hợp thứ ba của hiện tượng ưu thế lai, theo thuyết này là cây lai dị hợp tử có khả năng tổng hợp những sản phẩm quan trọng trong quá trình trao đổi chất với liều lượng tối hảo, còn những sản phẩm trên ở các cây cha mẹ đồng hợp tử hoặc quá thừa hoặc quá thiếu, nên có ảnh hưởng xấu đến quá trình trao đổi chất. Như vậy, tác hại của các kiểu gen đồng hợp tử ở các cây cha mẹ được khắc phục bởi kiểu gen dị hợp tử ở con lai. - Trường hợp thứ tư có thể có là cây lai dị hợp tử có khả năng tổng hợp nên hợp chất mới mà ở các cây cha mẹ đồng hợp tử không có. Mặc dù thuyết siêu trội cũng được công nhận rộng rãi và ứng dụng có kết quả trong công tác chọn giống nhưng vẫn không giải thích được đầy đủ các vấn đề của ưu thế lai. Có khả năng là cả hai cơ chế ưu thế lai kể trên đều tồn tại đồng thời trong tự nhiên. Nếu điều đó là có thật thì cả hai thuyết trên đều đúng nhưng mỗi thuyết chỉ giải thích một khía cạnh của vấn đề. 59
* Thuyết cân bằng di truyền (The genetic balance hypothesis). Ưu thế lai là một hiện tượng phức tạp mà cả hai giả thuyết " Tính trội " và Siêu trội " điều không giải thích được hoàn toàn. Theo thuyết cân bằng di truyền thì ưu thế lai không thể chỉ giải thích bằng một nguyên nhân di truyền đơn thuần nào được. Ưu thế lai là tác động tổng hợp của các cơ cấu di truyền khác nhau, được biểu hiện ra bằng một hiện tượng giống nhau ưu thế lai. Thuyết cân bằng di truyền xem ưu thế lai chỉ là một phần của vấn đề rộng lớn - vấn đề điều hòa cơ cấu di truyền của các quá trình sinh trưởng và phát triển của sinh vật. Khi lai các dạng cha mẹ có khả năng phối hợp cao sẽ tạo được con lai có số gen gây ra hiệu quả dương tăng lên, còn số gen gây ra hiệu quả âm giảm xuống so với các dạng cha mẹ. Việc thay đổi sự cân bằng di truyền theo hướng tăng số gen gây hiệu quả dương được biểu hiện ra bằng ưu thế lai. Hiệu quả dương đó có thể do tác động của gen trội như giải thích của thuyết "Tính trội", cũng có thể do tác động " Siêu trội ", hay do một nguyên nhân nào khác còn chưa xác định được.Thuyết cân bằng di truyền cho phép tổng hợp chung lại các thuyết "Tính trội" và "Siêu trội" đồng thời khắc phục một số điểm trồng của các thuyết trên khi xem ưu thế lai là kết quả của các kiểu tác động khác nhau của những yếu tố di truyền và điều kiện môi trường lên sự phát triển các tính trạng và đặc tính ở con lai. 4.2 Các phương pháp duy trì ưu thế lai ở thực vật * Chọn vật liệu để phát triển dòng tự phối Đặc điểm di truyền nổi bật của cây giao phấn là các cá thể trong quần thể luôn ở trạng thái dị hợp tử vì thế đem lai giữa hai quần thể tự do giao phấn với nhau thì không thể đạt được tỉ lệ dị hợp tử cao. Mặt khác các gen ẩn bị lấn át nay trạng thái đồng hợp tử sẽ phát huy tác dụng làm sức sống của con lai không cao, các gen này cần được loại bỏ khỏi các dạng bố mẹ của các tổ hợp lai. Như vậy để đạt được xác suất cao nhất cho khả năng tạo ra con lai dị hợp tử mà lại chứa rất ít gen lặn có hại thì bố mẹ phải là các dòng đồng hợp tử. Việc tạo các dòng tự phối ở cây giao phấn làm bố mẹ cho các tổ hợp lai đã đáp ứng được mục tiêu. Các vật liệu được chọn để phát triển dòng tự phối cần đạt được yêu cầu là tạo ra các dòng tự phối có phổ di truyền rộng và khác nhau càng nhiều càng tốt. Các dòng tự phối còn các khả năng chống bệnh, thích ứng với các điều kiện ngoại cảnh bất lợi để bổ sung cho con. Như vậy các quần thể địa phương xa nhau về sinh thái địa lí, các giống tổng hợp, các giống có năng suất cao, tính chống chịu tốt là những nguồn vật liệu quý để phát triển các dòng tự phối. Trong quá trình tạo dòng tự phối người ta liên tục bổ sung tính trạng cho vật liệu chọn dòng tự phối. Bằng cách này ở Mĩ, Mexico đã tạo được các dòng tự phối có khả năng cho ưu thế lai cao mà bản thân dòng cũng cho năng suất cao gần bằng các giống lai tổng hợp (compose). * Tạo dòng thuần (dòng tự phối) ở cây giao phấn 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. Các cá thể trong quần thể 60