- Trang Chủ
- Nông nghiệp
- Giáo trình Chọn giống cây trồng (Nghề: Bảo vệ thực vật - Cao đẳng): Phần 2 - Trường Cao đẳng Cộng đồng Đồng Tháp
Xem mẫu
- 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
nguon tai.lieu . vn
