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