Đánh giá đặc điểm nông sinh học và khả năng kết hợp của 28 dòng ngô đơn bội kép được tạo ra bằng phương pháp kích tạo đơn bội kép được tạo ra bằng phương pháp kích tạo đơn bộ

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VN ---*--- NGUYỄN ĐỨC THÀNH ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC VÀ KHẢ NĂNG KẾT HỢP CỦA 28 DÒNG N

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VN

-* -

NGUYỄN ĐỨC THÀNH

ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC VÀ

KHẢ NĂNG KẾT HỢP CỦA 28 DÒNG NGÔ ĐƠN BỘI KÉP ĐƯỢC TẠO RA BẰNG PHƯƠNG PHÁP KÍCH TẠO ĐƠN BỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI - 2015

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VN

-* -

NGUYỄN ĐỨC THÀNH

ĐÁNH GIÁ ĐẶC ĐIỂM NÔNG SINH HỌC VÀ

KHẢ NĂNG KẾT HỢP CỦA 28 DÒNG NGÔ ĐƠN BỘI KÉP ĐƯỢC TẠO RA BẰNG PHƯƠNG PHÁP KÍCH TẠO ĐƠN BỘI

Chuyên nghành: Di truyền và Chọn giống Cây trồng

Mã số: 60.62.01.11

LUẬN VĂN THẠC SĨ NÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI - 2015

Tôi xin gửi lời cảm ơn trân thành tới Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu Ngô và tập thể cán bộ Bộ môn Chọn tạo giống ngô, Bộ môn Công nghệ Hạt giống đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ trong quá trình thực hiện đề tài Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới bạn bè, đồng nghiệp và gia đình

đã luôn động viên, chia sẻ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn

Hà Nội, ngày………tháng……….năm 2015

Tác giả

Nguyễn Đức Thành

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự chỉ dẫn của Thầy hướng dẫn, Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu Ngô và sự giúp đỡ của đồng nghiệp trong Tổ tạo dòng Ngô Công nghệ cao – Bộ môn chọn tạo giống Kết quả nghiên cứu, số liệu trong luận văn là hoàn toàn trung thực

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về những số liệu đã công bố trong luận văn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

1.1 Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và ở Việt Nam 5

1.1.1 Tình hình sản xuất ngô trên thế giới 5

1.1.2 Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 6

1.2 Giống ngô lai và phương pháp tạo giống ngô lai 7

1.2.1 Giống ngô lai 7

1.2.2 Phương pháp tạo giống ngô lai 7

1.3 Dòng thuần, các phương pháp tạo dòng thuần 8

1.3.1 Dòng thuần 8

1.3.2 Các phương pháp tạo dòng thuần 9

1.4 Phương pháp tạo dòng bằng cây kích tạo đơn bội 15

1.5 Đánh giá dòng về các đặc tính nông sinh học 19

1.6 Ưu thế lai và ứng dụng ưu thế lai trong chọn tạo giống 20

1.6.1 Khái niệm về ưu thế lai 20

1.6.2 Các thuyết giải thích hiện tượng ưu thế lai 21

1.6.3 Phương pháp xác định ƯTL 22

1.6.4 Ứng dụng ƯTL về năng suất trong chọn tạo giống ngô 22

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Vật liệu nghiên cứu 28

2.2 Nội dung nghiên cứu 30

2.3 Phương pháp nghiên cứu 31

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu trên đồng ruộng 31

2.3.2 Phương pháp tính toán và xử lý số liệu: 34

2.4 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 34

2.4.1 Thời gian nghiên cứu 34

2.4.2 Địa điểm nghiên cứu 34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Kết quả đánh giá đặc điểm nông sinh học của 28 dòng ngô đơn bội kép 35

3.1.1 Thời gian sinh trưởng và đặc điểm hình thái của 28 dòng ngô DH 35

3.1.2 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các dòng ngô 39

3.1.3 Khả năng chống chịu với một số sâu bệnh chính và khả năng chống đổ của các dòng ngô nghiên cứu 42

3.2 Kết quả khảo sát đánh giá các tổ hợp lai đỉnh vụ Thu Đông 2014 45

3.2.1 Thời gian sinh trưởng của các tổ hợp lai đỉnh 1 vụ Thu Đông năm 2014 45

3.2.2 Thời gian sinh trưởng của các tổ hợp lai đỉnh 2 vụ Thu Đông năm 2014 47

3.2.3 Đặc điểm hình thái của các tổ hợp lai đỉnh 1 49

3.2.4 Đặc điểm hình thái của các tổ hợp lai đỉnh 2 51

3.2.5 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các tổ hợp lai đỉnh 52

3.2.6 Một số đặc điểm chống chịu của các tổ hợp lai đỉnh 59

3.3 Kết quả đánh giá khả năng kết hợp tính trạng năng suất của các dòng ngô DH bằng phương pháp lai đỉnh vụ Thu Đông 2014 62 3.3.1 Đánh giá khả năng kết hợp tính trạng năng suất của 14 dòng

ngô DH lai đỉnh 1 vụ Thu Đông 2014 62

3.3.2 Kết quả đánh giá khả năng kết hợp tính trạng năng suất của 14 dòng ngô DH lai đỉnh 2 vụ Thu Đông 2014 65

3.4 Ưu thế lai về năng suất của các tổ hợp lai vụ Thu Đông năm 2014 68

3.4.1 Ưu thế lai về năng suất của các tổ hợp lai đỉnh 1 68

3.4.2 Ưu thế lai về năng suất của các tổ hợp lai đỉnh 2 69

3.5 Kết quả thí nghiệm so sánh THL triển vọng tại Trung tâm Nghiên cứu và Sản xuất giống ngô Sông Bôi vụ Thu Đông năm 2015 71

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 74

DANH MỤC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism - Đa hình chiều

dài đoạn nhân bản

Bộ NN & PTNT Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

CIMMYT Centro Internacional de Mejoramiento de Maiz y Trigo -

Trung tâm nghiên cứu ngô và lúa mỳ quốc tế

CV Coefficients of variation - Hệ số biến động

DH Double haploid - Đơn bội kép

FAOSTAT Food and Agriculture Organization of the United Nations

statistics division – Cơ sở dữ liệu thống kê của tổ chức nông nghiệp và lương thực thế giới

GMP Global Maize Program – Chương trình ngô toàn cầu

HBP Ưu thế lai thực

KNKH Khả năng kết hợp

P1000 hạt Khối lượng 1000 hạt

RFLP Restric tion Fragment Length Polymorphism - Đa hình chiều

dài đoạn cắt giới hạn RAPD Randomly Amplified Polymorphic DNA - Đa hình các

đoạn ADN được khuếch đại ngẫu nhiên SSA Simple Sequence Repeats - Sự lặp lại trình tự đơn giản SNP Single Nucleotide Polymorphism - Đa hình nucleotide đơn

TGST Thời gian sinh trưởng

USDA United States Department of Agriculture – Bộ Nông nghiệp

hoa kỳ

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Diện tích, năng suất, sản lượng ngô của thế giới và một số nước sản

xuất ngô lớn năm 2012 - 2013 5

Bảng 1.2 Diện tích, năng suất và sản lượng ngô của Việt Nam giai đoạn 1991 – 2013 6

Bảng 2.1 Danh sách dòng tham gia thí nghiệm 28

Bảng 2.2 Danh sách dòng và các THL được tạo ra từ lai đỉnh 1 29

Bảng 2.3 Danh sách dòng và các THL được tạo ra từ lai đỉnh 2 30

Bảng 3.1 Thời gian sinh trưởng của các dòng ngô vụ Xuân 2014 36

Bảng 3.2 Đặc điểm hình thái của 28 dòng ngô DH vụ Xuân 2014 38

Bảng 3.3 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của 28 dòng ngô DH40 Bảng 3.4 Khả năng chống chịu của các dòng ngô vụ Xuân 2014 43

Bảng 3.5 Thời gian sinh trưởng của các tổ hợp lai đỉnh 1 46

Bảng 3.6 Thời gian sinh trưởng của các tổ hợp lai đỉnh 2 48

Bảng 3.7 Đặc điểm hình thái của các tổ hợp lai đỉnh 1 50

Bảng 3.8 Đặc điểm hình thái của các tổ hợp lai đỉnh 2 51

Bảng 3.9 Các yếu tố cấu thành năng suất của các tổ hợp lai đỉnh 1 53

Bảng 3.10 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất các tổ hợp lai đỉnh 1 54

Bảng 3.11 Các yếu tố cấu thành năng suất của tổ hợp lai đỉnh 2 56

Bảng 3.12 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất các tổ hợp lai đỉnh 2 58

Bảng 3.13 Một số đặc điểm chống chịu của các tổ hợp lai đỉnh 1 59

Bảng 3.14 Một số đặc điểm chống chịu của các tổ hợp lai đỉnh 2 61

Bảng 3.15 Bảng phân tích phương sai trong thí nghiệm lai đỉnh 1 62

Bảng 3.16 Giá trị KNKH chung của các dòng và cây thử trong lai đỉnh 1 63

Bảng 3.17 Phương sai KNKHR về năng suất dòng với cây thử 64

Bảng 3.18 Bảng phân tích phương sai trong thí nghiệm lai đỉnh 2 65

Bảng 3.19 Giá trị KNKH chung của các dòng và cây thử trong lai đỉnh 2 66 Bảng 3.20 Phương sai KNKHR về năng suất của các dòng với cây thử 67 Bảng 3.21 Ưu thế lai về năng suất của các tổ hợp lai đỉnh 1 68 Bảng 3.22 Ưu thế lai về năng suất của các tổ hợp lai đỉnh 2 70 Bảng 3.23 Kết quả đánh giá THL triển vọng trong thí nghiệm so sánh giống của Viện Nghiên cứu Ngô tại Lạc Thủy – Hòa Bình vụ Thu Đông năm 2015 72

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Tạo dòng theo phương pháp truyền thống 16 Hình 1.2 Tạo dòng bằng phương pháp kích tạo đơn bội 17 Hình 1.3 Biểu đồ tốc độ tăng trưởng về năng suất ngô Việt Nam giai đoạn

1995 - 2011 23

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngô (Zea mays L.), lúa gạo và lúa mì là ba cây lương thực quan

trọng trên thế giới Năm 2013, ngô với diện tích đứng thứ 2 sau lúa mì; năng suất và sản lượng cao nhất trong các cây ngũ cốc (FAOSTAT, 2015)[58] Ngô được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như: Làm lương thực cho người, thức ăn chăn nuôi, làm nguyên liệu cho ngành công nghiệp nhẹ, dược phẩm và làm nguyên liệu để sản xuất ethanol Sản lượng ngô xuất khẩu trên thế giới trung bình hàng năm từ 82,6 đến 86,7 triệu tấn Trong đó, lượng ngô do Mỹ xuất khẩu chiếm tới 36,79% Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp Hoa kỳ, đến tháng 10 năm 2015, nước Mỹ

có diện tích và sản lượng ngô đứng đầu thế giới, với sản lượng chiếm 35,4% tổng sản lượng ngô toàn cầu (https:// usda.gov, 2015)[61]

Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực quan trọng thứ hai sau cây lúa và

là cây màu quan trọng nhất được trồng ở nhiều vùng sinh thái khác nhau,

đa dạng về mùa vụ gieo trồng và hệ thống canh tác Cây ngô không chỉ cung cấp lương thực cho người, làm lương thực chính cho người dân tộc thiểu số ở vùng núi cao có điều kiện khó khăn mà còn là nguồn nguyên liệu chính cho nghành chế biến thức ăn chăn nuôi Sản xuất ngô cả nước qua các năm không ngừng tăng về diện tích, năng suất, sản lượng: năm 2001 tổng diện tích ngô là 730.000 ha, đến năm 2005 đã tăng trên 1 triệu ha; năm 2013, diện tích ngô cả nước 1172,5 nghìn ha, năng suất 44,3 tạ/ha, sản lượng gần 5,2 triệu tấn Tuy vậy, cho đến nay sản xuất ngô ở nước ta phát triển chưa tương xứng với tiềm năng, chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng trong nước, bảy thàng đầu năm 2015 nước ta phải nhập khẩu 3,6 triệu tấn ngô hạt với trị giá 824 triệu USD tăng 68,64% về lượng và 55,91 % về giá

so với cùng kỳ năm 2014 (http://canthopromotion.vn, 2015)[60]

Trước thực trạng đó, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã đề

ra những chiến lược phát triển nông nghiệp nông thôn giai đoạn 2011 –

2020 Theo dự báo nhu cầu ngô của Việt Nam đến năm 2020 là 7,2 triệu tấn Để đáp ứng nhu cầu ngô trong nước, trong 5 năm tới việc tăng năng suất, sản lượng ngô trong nước đang được đảng và nhà nước quan tâm Trong đó, tập trung vào ứng dụng công nghệ cao trong tạo dòng, tạo giống mới có năng suất cao, chống chịu tốt, thích ứng với biến đổi khí hậu

Trong tạo giống, để tạo được một giống ngô lai, các nhà chọn tạo giống phải tiến hành trình tự theo các bước: Tạo dòng, đánh giá và chọn dòng, thử khả năng kết hợp chung và riêng, khảo sát đánh giá con lai về các tính trạng mong muốn Tuy nhiên công tác tạo dòng bằng phương pháp truyền thống từ trước đến nay gặp một số bất cập như: Phải mất thời gian 6 – 8 vụ để tạo được một dòng thuần bằng phương pháp tự phối với

độ thuần 99,2% alen đồng hợp tử (Forster and Thomas, 2005; Geiger H.H and Gordillo, 2009) [29],[30] Khắc phục nhược điểm trên, gần đây phương pháp tạo dòng bằng công nghệ kích tạo đơn bội được nhiều công

ty đa quốc gia như Syngenta, Monsanto, Pioneer và các tổ chức quốc tế (Trung tâm cải tạo ngô và lúa mỳ quốc tế - CIMMYT, đại học – Hoheheim – Đức,…) áp dụng Phương pháp này với nhiều ưu điểm (Geiger H.H and Gordillo, 2009)[30] i) Thời gian tạo dòng thuần nhanh, chỉ mất 2 vụ; ii) Các dòng được tạo ra là dòng đơn bội kép (DH), có độ đồng hợp tử 100%; iii) Từ một nguồn vật liệu ban đầu tạo được nhiều dòng khác nhau; vi) Quy trình thực hiện đơn giản, các bước thực hiện chủ yếu ngoài đồng ruộng Nhận thấy, công nghệ tạo dòng mới này có nhiều

ưu điểm, Viện Nghiên cứu Ngô đã đề xuất chương trình hợp tác với CIMMYT thông qua “Dự án sản xuất giống ngô lai giai đoạn 2011 – 2015”

để nhập công nghệ này về Việt Nam Qua 3 năm thực hiện với sự hỗ trợ của

các chuyên gia CIMMYT Viện đã áp dụng thành công công nghệ “Tạo dòng đơn bội kép bằng cây kích tạo đơn bội” và tạo ra hàng trăm dòng DH Để đánh giá tiềm năng của các dòng DH, đề tài: “Đánh giá đặc điểm nông sinh học và khả năng kết hợp của 28 dòng ngô đơn bội kép được tạo ra bằng phương pháp kích tạo đơn bội” được thực hiện

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Yêu cầu của đề tài:

+ Đánh giá được một số đặc điểm nông sinh học chính của 28 dòng DH

về thời gian sinh trưởng, đặc điểm hình thái, khả năng chống chịu, các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất

+ Khảo sát các THL, đánh giá khả năng kết hợp về năng suất của các dòng bằng phương pháp lai đỉnh

+ Xác định ƯTL về năng suất của các tổ hợp lai và lựa chọn được từ 1 đến

2 tổ hợp lai triển vọng có năng suất cao, chống chịu tốt

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Kết quả của đề tài sẽ giúp cho các nhà tạo giống của Viện đánh giá được tiềm năng của các dòng DH nhằm đưa ra định hướng cho nghiên cứu và ứng dụng công nghệ kích tạo trong chọn tạo giống ngô lai

- Bổ sung những thông tin khoa học cần thiết về tập đoàn dòng DH phục

vụ cho công tác nghiên cứu chọn tạo giống

- Giới thiệu từ 1 đến 2 tổ hợp lai ưu tú là sản phẩm của đề tài

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu 28 dòng ngô DH được tạo ra bằng phương pháp “Kích tạo đơn bội” trong tập đoàn dòng của Viện Nghiên cứu Ngô 28 dòng ngô đơn bội kép được tạo ra từ các giống ngô lai đơn thương mại tốt của 2 công ty giống Syngenta và Monsato

Phạm vi nghiên cứu

Thí nghiệm đánh giá đặc điểm nông sinh học của dòng và khảo sát tổ hợp lai tạo ra từ lai đỉnh 1 và 2 được thực hiện lần lượt ở vụ Xuân và Thu Đông năm 2014 tại khu thí nghiệm của Viện Nghiên cứu Ngô

Thí nghiệm khảo nghiệm giống tác giả (so sánh THL triển vọng) được thực hiện tại khu thí nghiệm của Trung tâm Nghiên cứu ngô Sông Bôi – Viện Nghiên cứu Ngô, huyện Lạc Thủy tỉnh Hòa Bình trong vụ Thu Đông năm 2015

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Tình hình sản xuất ngô trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 Tình hình sản xuất ngô trên thế giới

Ngô (Zea mays L.), cùng với lúa gạo và lúa mì là ba cây lương thực quan

trọng trên thế giới và là cây được sử dụng làm thức ăn chăn nuôi chính hiện nay Ngành sản xuất ngô thế giới tăng liên tục từ đầu thế kỷ 20, trong đó ngô là cây trồng có tốc độ tăng trưởng cao nhất trong số những cây lương thực về ba chỉ tiêu chính là: năng suất, diện tích và sản lượng (FAOSTAT, 2015) [59] Năm 1961, diện tích ngô toàn thế giới đạt 105,5 triệu ha, năng suất 19,4 tạ/ha, sản lượng 205 triệu tấn, đến năm 2009, diện tích trồng ngô thế giới đạt khoảng 159,5 triệu ha, năng suất bình quân 51,3 tạ/ha, sản lượng 817,1 triệu tấn và năm 2013 diện tích trồng ngô là 184,19, năng suất đạt 55 tạ/ha, sản lượng 1016,74 triệu tấn Trong đó, Mỹ, Trung Quốc, Braxin là những nước đứng đầu về diện tích và sản lượng

Bảng 1.1 Diện tích, năng suất, sản lượng ngô của thế giới và một số nước

sản xuất ngô lớn năm 2012 - 2013

Quốc gia

DT (Triệu ha)

NS (Tạ/ha)

SL (Triệu tấn)

DT (Triệu ha)

NS (Tạ/ha)

SL (Triệu tấn)

1.1.2 Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam

Bảng 1.2 Diện tích, năng suất và sản lượng ngô của Việt Nam giai đoạn

đồ hộp, làm dược phẩm Ngành sản xuất ngô của Việt Nam tăng trưởng liên tục trong 25 năm qua Thành công đó có phần đóng góp quan trọng của chương trình phát triển giống ngô lai do Việt Nam chọn tạo và các công ty giống đa quốc gia đưa vào trồng trên phạm vi cả nước Năm 1991, diện tích trồng giống lai chiếm chưa đến 1% của hơn 447 nghìn hecta trồng ngô, năng suất đạt 15,0 tạ/ha và sản lượng đạt 672 nghìn tấn đến năm 2013 diện tích trồng ngô là 1.170.322 ha, với khoảng trên 95% trồng bằng giống ngô lai, năng suất trung bình 44,35 tạ/ha và tổng sản lượng gần 5,2 triệu tấn So với năm 1990 khi chưa trồng giống lai thì diện tích tăng 2,9 lần và sản lượng

tăng 2,6 lần Mặc dầu vậy, năng suất ngô của Việt Nam vẫn chỉ bằng 80% so với năng suất ngô trung bình của thế giới (FAOSTAT, 2015) [58]

1.2 Giống ngô lai và phương pháp tạo giống ngô lai

1.2.1 Giống ngô lai

Giống ngô lai là một trong những thành tựu khoa học nông nghiệp nổi bật của thế kỷ XX, được tạo ra là nhờ ứng dụng ƯTL trong tạo giống Về bản chất giống ngô lai là kết quả của tác động gen trội và hiệu ứng siêu trội Giống ngô lai có một số đặc điểm chính như: Có nền di truyền hẹp, thường thích ứng hẹp; Yêu cầu thâm canh cao; Độ đồng đều tốt; Năng suất cao

Giống ngô lai được chia thành hai loại như sau:

* Giống ngô lai không quy ước (Non – Conventional hybrid): Là

giống lai được tạo ra trong đó có ít nhất một thành phần bố mẹ không phải là dòng thuần

- Giống x Giống

- Dòng x Giống (lai đỉnh)

- Gia đình x Gia đình

- Lai đơn x Giống (lai đỉnh kép)

* Giống lai quy ước: Giống lai quy ước là giống lai giữa các dòng thuần

- Lai đơn (A x B)

- Lai ba [(A x B) x C]

- Lai kép [(A x B) x (C x D)]

Trong đó A, B, C, D là những dòng tự phối

1.2.2 Phương pháp tạo giống ngô lai

Theo phương pháp chuẩn (Standard Method), chọn tạo giống ngô lai

quy ước gồm ba bước cơ bản như sau:

- Phát triển dòng thuần: Phát triển dòng thuần có tiềm năng sử dụng làm bố mẹ cho các giống ngô lai thương mại năng suất cao, ổn định là mục

tiêu cơ bản của các chương trình chọn tạo giống Tỷ lệ dòng thuần được sử dụng chiếm từ 0,01 đến 0,1% (Hallauer và Miranda, 1981) [33] vì vậy công việc tạo dòng là công việc thường xuyên của các nhà chọn tạo giống

- Thử khả năng kết hợp của các dòng thuần bằng lai đỉnh và lai luân phiên: Trong công tác tạo giống ngô tạo dòng không phải là giai đoạn khó khăn nhất Đánh giá dòng mới là quan trọng nhất Cho đến nay con đường chắc chắn nhất để đánh giá KNKH dòng thuần vẫn là thông qua lai thử và thử nghiệm các thế hệ con lai Lai luân phiên là phương pháp hiệu quả để xác định giá trị của mỗi dòng và mỗi cặp lai nhưng trên thực tế nếu áp dụng ngay

từ ban đầu thì vô cùng khó khăn do khối lượng công việc lớn Vì vậy, các nhà chọn tạo giống thường lựa chọn lai đỉnh là lai các dòng cần xác định khả năng kết hợp với cùng một dạng cây thử để xác định những dòng có khả năng kết hợp chung cao sau đó lai luân phiên các dòng có khả năng kết hợp chung cao với nhau (Ngô Hữu Tình, 2009) [15]

- Kết hợp các dòng thuần ưu tú trong con lai ưu thế cao: Từ kết quả thí nghiệm lai đỉnh và lai luân phiên, các nhà tạo giống chọn ra được những dòng

có KNKH cao Tập hợp tất cả các dòng này gọi là tập đoàn dòng ưu tú Những cặp lai ưu tú có ưu thế cao hơn những giống đối chứng đang sử dụng rộng rãi trong vùng sẽ được lựa chọn đưa đi khảo nghiệm cơ bản, khảo nghiệm sản xuất và khảo nghiệm đánh giá tính khác biệt, tính đồng nhất, tính

ổn định của giống (DUS)

1.3 Dòng thuần, các phương pháp tạo dòng thuần

1.3.1 Dòng thuần

Dòng thuần là khái niệm tương đối để chỉ các dòng tự phối đã đạt đến độ đồng hợp tử và ổn định ở nhiều tính trạng Đối với ngô, thường sau 6-8 đời tự phối các dòng đạt đến độ đồng đều cao ở các tính trạng như chiều cao cây, chiều

cao đóng bắp, năng suất, màu và dạng hạt… và được gọi là “dòng thuần”

Công việc chọn tạo dòng thuần có tiềm năng sử dụng làm bố mẹ cho các giống lai năng suất cao, ổn định, thích nghi với các vùng sinh thái khác nhau là công việc quan trọng và là mục tiêu cơ bản của chương trình tạo giống ngô lai năng suất cao

1.3.2 Các phương pháp tạo dòng thuần

1.3.2.1 Tạo dòng bằng phương pháp truyền thống

* Phương pháp tạo dòng thuần bằng tự phối (selfing)

Phương pháp tự phối (phương pháp chuẩn – Standard method) bắt đầu nghiên cứu từ năm 1904 và công bố vào năm 1908 (Shull, 1908)[48]

Tự phối là quá trình thụ phấn cưỡng bức ở cây giao phấn Cây ngô là cây giao phấn nên cá thể là dị hợp và quần thể là dị gen, để chọn được kiểu gen mong muốn thông qua kiều hình là vô cùng khó khăn Tự phối là biện pháp đồng huyết hóa nhanh nhất đề đạt được đồng hợp tử cao ở các thế hẹ sau Các nguồn vật liệu tốt có nhiều tính trạng nông sinh học quý được quan tâm, gieo trồng ở các bãi cách ly, các bắp tốt được chọn lọc và gieo theo kiểu bắp/hàng và được đánh giá chọn lọc qua các thế hệ để tạo dòng thuần

Ưu điểm của phương pháp này là nhanh chóng đạt đến độ đồng hợp tử với

tỷ lệ ngày càng cao ở các thế hệ tiếp theo Nhược điểm của phương pháp này là tự phối liên tục gây ra suy giảm sức sống, năng suất và chậm ra hoa (Ngô Hữu Tình, 2009) [15]

Trong phương pháp chọn tạo dòng bằng phương pháp tự phối việc chọn lọc là công việc quan trọng để loại bỏ những dòng xấu và lựa chọn được những dòng tốt Công việc chọn lọc dòng căn cứ vào mục tiêu của từng nhà tạo giống Tuy nhiên, chọn dòng đều thông qua việc đánh giá về các tính trạng như: Khả năng sinh trưởng phát triển, khả năng chống chịu, các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của vật liệu Công việc chọn lọc được tiến hành vào các thời kỳ: Thời kỳ mọc, giai đoạn trước tung phấn phun râu, giai

đoạn tung phấn phun râu và giai đoạn thu hoạch Chọn lọc các gia đình ưu tú

và chọn lọc các cá thể trong các gia đình Độ lớn của vật liệu ban đầu và độ lớn của mẫu sau từng thế hệ tùy thuộc vào vật liệu ban đầu, với vật liệu ban đầu có nền di truyền rộng (quần thể, giống thụ phấn tự do ) thì yêu cầu mẫu lớn, với vật liệu ban đầu có nền di truyền hẹp (giống lai đơn) thì mẫu nhỏ hơn Độ lớn mẫu ở các đời tự phối còn phụ thuộc vào kinh nghiệm của từng nhà tạo giống (các chuyên gia có kinh nghiệm tạo giống lâu năm có thể chọn mẫu nhỏ hơn những người ít kinh nghiệm )

* Tạo dòng thuần bằng phương pháp cận phối (Fullsib hoặc sib)

Tạo dòng bằng phương pháp cận phối là phương pháp tạo “dòng rộng” được Stringfield, Cornelius và Dudley đề xuất thay thế cho phương pháp tự phối Tự phối liên tục làm cho các alen được định vị trong điều kiện đồng hợp

tử quá nhanh dẫn đến suy giảm sức sống và năng suất Để khắc phục điểm yếu này, phương pháp thụ phấn chị em có cường độ đồng huyết thấp hơn (ba lần fullsib tương ứng với một lần tự phối), sẽ giữ được độ biến động lớn hơn, tạo cơ hội hơn cho chọn lọc giữa và trong các thế hệ Hướng tạo dòng rộng có thể tạo ra những dòng có sức sống và năng suất tốt hơn rút dòng bằng tự phối (Ngô Hữu Tình, 2009) [15]

* Tạo dòng thuần bằng phương pháp thuần hoá tích hợp

Thuần hoá tích hợp (Additivo-cumulative Inbreeding) là phương pháp tạo dòng thuần nhằm kết hợp tối đa được các gen điều khiển tính trạng nằm ở các vị trí locus khác nhau và tích luỹ được các alen quản lý các tính trạng trên locus trong quá trình làm thuần Theo lý thuyết di truyền số lượng, bằng phương pháp thuần hoá tích hợp có thể cải thiện tần suất gen cần quan tâm và như vậy với một giá trị trung bình náo đó của gen khi tần suất được tăng lên thì tác động của nó sẽ tăng lên Áp dụng phương pháp thuần hóa tích hợp Ngô Hữu Tình và cộng sự đã tạo ra tập đoàn dòng đại diện cho những kiểu gen

khác nhau (ngắn ngày, trung ngày, dài ngày, tán lá gọn, tán lá bó, dạng cây thấp, dạng cây lùn, dạng hạt đá, dạng hạt răng ngựa, dạng nhiều bắp ) từ giống ngô MSB2649 (Ngô Hữu Tình, 2009) [15]

Cơ sở lý thuyết của phương pháp: Những tính trạng được các nhà chọn tạo giống quan tâm thường là các tính trạng số lượng, do nhiều gen nằm trên một hoặc nhiều nhiễm sắc thể (NST) khác nhau điều khiển Ví dụ như, tính trạng X do 3 gen A, B và C điều khiển trong đó 2 gen A và B nằm trên NST

1, gen C nằm trên NST 3 Giả sử ở thế hệ S1 phát hiện 2 cá thể biểu hiện tính trạng X: Cá thể 1 có kiểu gen A1A2B1B2, cá thể 2 có kiểu gen A3A4B1B2C1C2 Nếu tiếp tục tự phối, các kiểu gen trên sẽ được định vị Nếu thụ phấn cây 1 x cây 2 sẽ thu được cá thể có kiểu gen A1A2A3A4B1B2C1C2 với tần suất gen A được tăng lên gấp đôi

Đặc điểm của phương pháp tạo dòng thuần hóa tích hợp:

+ Tạo được dòng thuần khỏe, cải thiện và củng cố được tính trạng mong muốn Phương pháp này rất hiệu quả đối với những tính trạng quan sát được trước giai đoạn tung phấn, phun râu

+ Song song với tính trạng quan tâm, những đặc điểm liên kết được cải thiện hơn

+ Có thể loại bỏ những đặc điểm liên kết không mong muốn bằng cách tiến hành xen kẽ một vài đời tự phối khi dòng đã ổn định

+ Thời gian để tạo dòng bằng phương pháp thuần bằng phương pháp này dài hơn và đòi hỏi tính nhạy bén và kiên trì của nhà tạo giống

* Chọn tạo dòng tương đồng: Phương pháp này xuất phát từ việc mong

muốn cải thiện những tính trạng tác động đến khả năng kết hợp của dòng nhưng vẫn sử dụng tối đa, hiệu quả những đặc điểm tốt của dòng đã có sẵn

Cơ sở lý thuyết của phương pháp: Giả sử có 2 dòng A và B được xác định kết hợp tốt với nhau trong phạm vi một tập đoàn dòng (được gọi là

trường kết hợp) Nếu cải thiện được KNKH của 2 dòng này có nghĩa là đã mở rộng được không gian trường kết hợp mà không cần thay đổi cấu trúc thành phần của tập đoàn

Theo lý thuyết về di truyền số lượng thì giá trị kiểu hình tính trạng con lai được xác định bởi công thức:

Yabe = m + ga + gb + sab + eabe

Trong đó:

Yabe: là giá trị kiểu hình tính trạng con lai

m: Giá trị trung bình

ga: Hiệu ứng khả năng kết hợp chung của dòng A

gb: Hiệu ứng khả năng kết hợp chung của dòng B

sab: Khả năng kết hợp riêng giữa dòng A và dòng B

eabe: Sai số thí nghiệm

Công thức trên cho thấy: Nếu KNKH chung của dòng A và B được cải thiện thì sẽ tác động làm tăng giá trị kiểu hình Yabe Tuy nhiên, giá trị KNKH không đo đếm được nên phải tác động gián tiếp lên tính trạng có mối tương quan với khả năng kết hợp (giả sử như tính trạng chiều dài bắp)

* Tạo dòng thuần bằng phương pháp chọn lọc phả hệ

Các thế hệ đời sau được phát triển từ quần thể nghiên cứu ban đầu theo kiểu nội phối, chủ yếu là tự phối Tiến hành chọn lọc phả hệ ở thế hệ F2 nhưng cũng có thể áp dụng đối với các thế phát triển từ các giống thụ phấn

tự do, giống hỗn hợp, giống tổng hợp hay quẩn thể backcross Trong qúa trình chọn lọc thường kết hợp chọn hàng và cây/hàng không lặp lại Hạt từ cây được chọn gieo theo kiểu bắp/hàng vào vụ sau Chọn lọc phả hệ có hiệu quả cho các tính trạng có hệ số di truyền cao (Hallauer, 1990) [34] Các tính trạng năng suất cần được đánh giá lặp lại trong một số giai đoạn chọn lọc, có thể ở thế hệ cận huyết sớm hay khi thế hệ chọn lọc đã đạt đồng hợp tử Chọn

lọc phả hệ được sử dụng rộng rãi trong việc tái tạo dòng cho những tính trạng đặc thù

* Tạo dòng thuần bằng phương pháp lai trở lại (Backcross)

Phương pháp tạo dòng bằng backcross là trường hợp đặc biệt của chọn lọc phả hệ Bằng phương pháp này các nhà chọn tạo giống có thể quy tụ được nhiều tính trạng mong muốn vào một vật liệu, cải thiện một tính trạng nào đó quan tâm Ở thế hệ Backcross đầu tiên thu được 50% số cá thể đồng hợp tử có tính trạng quan tâm, ở thế hệ backcross thứ 2 thu được 75% số các thể mang nguồn gen của tính trạng quan tâm Bằng phương pháp backcross có thể nâng cao năng suất dòng nhờ chọn lọc được các gen quy định hiệu ứng cộng và khả năng chống chịu (Lê Huy Hàm, 2003) [4] Sử dụng phương pháp này vừa duy trì được tính trạng tốt ban đầu của dòng, mặt khác gia tăng được các tính trạng mong muốn trên cơ sở nâng cao tần suất các gen quy định tính trạng đó Phương pháp backcross trong cải tạo dòng đang được nhiều tác giả quan tâm

và nghiên cứu

1.3.2.2 Phương pháp tạo dòng DH bằng nuôi cấy bao phấn và noãn chưa thụ tinh (in vitro)

Phương pháp tạo dòng đơn bội kép bằng phương pháp nuôi cấy bao phấn

và hạt phấn tách rời được thực hiện thành công đầu tiên vào những năm 1975, sau đó được nghiên cứu, hoàn thiện và ứng dụng ở những năm tiếp theo Cấu trúc dạng phôi hình thành từ nuôi cấy hạt phấn tách rời đã được nghiên cứu từ cuối những năm 1980 Ứng dụng công nghệ nuôi cấy bao phấn và hạt phấn tách rời đã mang lại hiệu quả cao trong tạo dòng đơn bội kép phục vụ cho các chương trình chọn tạo giống

Thành công của công nghệ nuôi cấy bao phấn và hạt phấn tách rời phụ thuộc vào khả năng sinh sản đơn tính đực (androgenesis) của các nguồn vật liệu nuôi cấy Tần suất sinh sản đơn tính trong tự nhiên ở ngô khoảng 1/1000000,

trong đó sinh sản đơn tính đực khoảng 1/80000 Trong điều kiện in vitro, sự thành công của kỹ thuật nuôi cấy bao phấn phụ thuộc vào kiểu gen, môi trường nuôi cấy, điều kiện sinh trưởng của cây cho bao phấn và các biện pháp kỹ thuật tác động Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng, khi bào tử phát triển ở giai đoạn một nhân muộn và hai nhân sớm là giai đoạn thích hợp nhất đối với quá trình sinh sản đơn tính in vitro Trong môi trường cảm ứng, các tiểu bào tử có thể thành callus hoặc tái sinh trực tiếp Tuy vậy, vấn đề quan trọng trong quá trình nuôi cấy là tỷ lệ tái sinh cây

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, khi bổ sung thêm nguồn hidratcacbon (đường) vào môi trường nuôi cấy với hàm lượng khác nhau cũng nâng cao tỷ lệ tái sinh cây Phản ứng tạo phôi và tái sinh cây cao nhất ở nồng độ đường là 9% Điều kiện sinh trưởng của cây cho bao phấn và mùa vụ cũng ảnh hưởng đến tỷ lệ phản ứng Xử lý nhiệt độ để làm tăng khả năng phản ứng trong nuôi cấy bao phấn như: Phương pháp xử lý lạnh trước khi nuôi cấy đã kích thích các bào tử phát triển thành phôi, nhiệt độ và thời gian xử lý khác nhau thì hiệu quả nuôi cấy cũng khác nhau Ngoài ra, các yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của bào tử để tạo phôi và tái sinh cây như: pH môi trường, thời gian chiếu sáng trong nuôi cấy, kỹ thuật chọn mẫu, soi mẫu, khử trùng, kỹ thuật cấy chuyển

Tại Việt Nam, kỹ thuật nuôi cấy bao phấn được nghiên cứu ứng dụng trong chương trình chọn tạo giống lai khoảng từ 15 năm trước và đạt được những thành công nhất định Cho đến nay, phương pháp này đang được ứng dụng để tạo dòng đơn bội kép ở Viện Nghiên cứu Ngô Những nghiên cứu cải tiến quy trình nuôi cấy nhằm nâng cao tỷ lệ tạo phôi và tái sinh cây như xử lý nhiệt, cải tiến thành phần muối khoáng trong môi trường nuôi cấy Phương pháp truyền tính cảm ứng thông qua lai nguồn có phản ứng cao với các vật liệu của Việt Nam đã nâng cao tỷ lệ tạo phôi và tái sinh cây lên hàng chục lần Áp dụng phương pháp truyền tính cảm ứng, giai đoạn 1996 – 1998 Viện Nghiên cứu

Ngô đã nâng tỷ lệ phản ứng tạo cấu trúc phôi từ 4% và tỷ lệ tái sinh cây 2,1% lên tương ứng là 10% và 11% Đặc biệt là đã xác định được một số nguồn vật liệu

có tỷ lệ tạo phôi trên 30% và tái sinh trên 14%

Trong những năm qua, phương pháp tạo dòng đơn bội kép từ nuôi cấy bao phấn cũng đã khẳng định là một trong những phương pháp tạo dòng có hiệu quả cao Đã tạo ra các dòng đơn bội kép ưu tú, có nhiều tính trạng nông học tốt tham gia vào các chương trình chọn tạo giống ngô lai Đến nay, một số giống ngô lai của Viện có năng suất cao, chống chịu tốt được tạo ra từ dòng đơn bội kép đang được trồng rộng rãi trên phạm vi cả nước như giống: LVN145, LVN146, LVN092 (Đinh Công Chính, 2012) [1]

1.4 Phương pháp tạo dòng bằng cây kích tạo đơn bội

Cây kích tạo đơn bội lần đầu tiên được mô tả bởi các tác giả Stadler and Randolph (1929)[41] Khoảng hai thập kỷ sau, Chase đã tìm ra hạt đơn bội ở tần suất thấp khoảng 1/1.000 ở các nguồn vật liệu ngô khác nhau ở Mỹ (Chase, 1947)[20] Ông nhận ra được đây là tiềm năng rất lớn cho di truyền và chọn tạo giống ngô Do đó, ông đã dành nhiều thời gian để nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này nhằm ứng dụng cho công tác nghiên cứu di truyền và chọn tạo giống ngô (Chaise, 1952)[21]

Trên cơ sở tạo hạt đơn bội theo nguồn mẹ ở cây ngô (Zea mays L.), Stock 6 (Coe, 1964)[25] và một số nguồn kích tạo mới đã được tạo ra (Lashrmes, 1988; Sarkar, 1966; Shatskaya, 1994; Chalyk, 1999; Rober, 2005)[40],[44],[23],[42] Cây kích tạo sở hữu gen chỉ thị Anthocyanin mang tính trạng trội cho phép xác định được hạt đơn bội ở các giai đoạn khác nhau (hạt khô, hạt mầm, cây trưởng thành) Ở các nguồn kích tạo mới tỉ lệ kích tạo đơn bội tăng lên đáng kể so với cây kích tạo đầu tiên (Stock 6) Giai đoạn 2000

- 2005 một nhóm nghiên cứu của trường đại học Hohenheim – Đức, các nhà khoa học của CIMMYT đã thành công trong việc tăng tỷ lệ gây tạo đơn bội và

khả năng thích ứng của cây kích tạo đơn bội phục vụ cho chương trình nghiên cứu chọn tạo giống quy mô lớn lên 10 – 14% (Dan Jeffers, 2012) [27]

Gen chỉ thị R1-nj (mầu tím ở mày hạt, mầu tím ở nội nhũ) được sử dụng rộng rãi để phân loại hạt đơn bội Tuy nhiên, việc biểu hiện gen này bị ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố môi trường, thời vụ và nguồn mẹ, đặc biệt trong trường hợp cây mẹ có chứa gen ức chế R1-nj (Sharma, 2011)[45] Ẩm độ trong hạt khi thu hoạch cao thì việc phân loại hạt đơn bội sẽ trở nên dễ dàng hơn, do chỉ thị mầu tím trên phôi và nội nhũ thể hiện khá rõ nét, khi đó có thể phân loại hạt đơn bội bằng mắt thường trong điều kiện đủ ánh sáng

Để tạo ra dòng DH bằng phương pháp kích tạo đơn bội các nhà tạo giống chỉ mất 2 vụ để tạo ra dòng có độ thuần là 100% Vụ 1: Tạo hạt đơn bội với bộ nhiễm sắc thể (NST) giảm đi một nửa (n), Vụ 2: Xử lý đa bội NST từ n lên 2n Trong khi tạo dòng bằng phương pháp truyền thống phải mất từ 6 – 7

vụ mới ra được dòng có độ thuần 99,2% (Forster and Thomas, 2005; Geiger and Gordillo, 2009) [29] [30]

Hình 1.1 Tạo dòng theo phương pháp truyền thống

Phương pháp tạo dòng bằng cây kích tạo đơn bội có rất nhiều ưu điểm so với các phương pháp tạo dòng khác như: 1) Thời gian tạo ra dòng thuần nhanh (chỉ mất 2 vụ), tiết kiệm được 2/3 thời gian tạo dòng so với phương pháp truyền thống, rút ngắn thời gian để tạo ra một giống ngô lai thương mại; 2) Các dòng

được tạo ra là dòng DH, có độ đồng hợp tử 100%; 3) Từ một nguồn vật liệu ban đầu có thể tạo ra nhiều dòng khác nhau; 4) Quy trình thực hiện đơn giản, các bước thực hiện chủ yếu ngoài đồng ruộng (Geiger and Gordillo, 2009)[30]

Hình 1.2 Tạo dòng bằng phương pháp kích tạo đơn bội

Ngày nay, cây đơn bội kép được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu ngô và sử dụng trong việc tạo ra các giống thương mại trên toàn thế giới Trong 10 – 15 năm qua, công nghệ này đã đuợc sử dụng trong chương trình nhân giống ngô thương mại ở Châu Âu (Schmidt, 2003)[46], Bắc Mỹ (Seitz, 2005)[47] và những năm gần đây ở Trung Quốc (Chen và cs, 2009) Cho đến nay, nhiều công ty giống đa quốc gia như Sygenta, Mosanto, Pioneer và các tổ chức quốc tế (CIMMYT, Hoheheim ) đang ứng dụng phương pháp chọn tạo dòng đơn bội kép bằng cây kích tạo đơn bội (Kingstone Mashinguidze, 2012)[39]

CIMMYT đã bắt đầu nghiên cứu và ứng dụng phương pháp chọn tạo dòng bằng cây kích tạo đơn bội từ năm 2007, đến nay tạo ra hàng nghìn dòng ngô thuần phục vụ hiệu quả cho nhiều chương trình, dự án nghiên cứu di truyền và chọn tạo giống ngô lai ở vùng châu Phi, châu Mỹ, châu Á và châu

Âu Ngoài việc nghiên cứu ứng dụng thành công quy trình tạo dòng DH, CIMMYT đã nghiên cứu và chọn tạo ra các dòng inducer nhiệt đới như: TAIL5 – tropical adapted inducer lines, TAIL6, TAIL7, TAIL8, TAIL9 Các dòng này có khả năng sinh trưởng phát triển tốt, cây khỏe, sạch bệnh, bông cờ

to nhiều phấn và cho tỷ lệ hạt đơn bội từ 8 – 14% khi lai với các giống lai đơn (Vijay Chaikam, 2012; Prasanna, 2013) [55],[56]

Tại khóa đào tạo ngắn hạn của chương trình ngô toàn cầu (Global Maize Program - GMP) từ ngày 23 đến 24 tháng 9 năm 2015, Tim Cupka, nhà tạo giống ngô có nhiều kinh nghiệm tại Công ty giống AgReliant Genetics (Công ty giống lớn thứ 3 của Mỹ) đã nhấn mạnh rằng “Công nghệ kích tạo đơn bội đã làm thay đổi bộ mặt của giống ngô trong công ty” Cũng tại hội nghị người ta đã dự đoán, khoảng 70% đến 80% các giống ngô lai thương mại mới của các công ty giống lớn trên thế giới đặc biệt là các công ty giống ở Bắc Mỹ và Châu Âu được tạo ra từ một đến hai dòng đơn bội kép Các giống này đang phát triển mạnh mẽ và được trồng trên diện tích từ 40 –

50 triệu ha trên toàn thế giới (Prasanna and Brenda Wawa, 2015)[57]

Đến nay, CIMMYT đã tạo được hơn 92.000 dòng DH bằng công nghệ kích tạo đơn bội, trong đó có khoảng 5000 dòng DH được đánh giá là có khả năng kháng bệnh tốt ở Mexico và Kenya Các dòng DH này đang được sử dụng để phát triển cho chương trình phát triển ngô toàn cầu đặc biệt là vùng Châu Phi (Prasanna and Brenda Wawa, 2015)[57]

Tại Việt Nam, Viện Nghiên cứu Ngô là đơn vị ứng dụng công nghệ để tạo dòng ngô đơn bội kép với mục đích thương mại Thực hiện nội dung của

dự án phát triển giống ngô lai giai đoạn 2011 – 2015, năm 2011 Viện đã cử 3 cán bộ sang CIMMYT – Mexico học tập, chuyển giao công nghệ Giữa năm

2012 CIMMYT đã chuyển giao cho viện 3 nguồn kích tạo đơn bội nhiệt đới (inducer) Qua đánh giá các đặc tính nông sinh học của cây kích tạo đơn bội trên 3 vùng sinh thái khác nhau (Đà Lạt, Sơn La và Viện Nghiên cứu Ngô) cho thấy cây kích tạo sinh trưởng và phát triển tốt, có tỷ lệ kích tạo trong khoảng 6 – 8% (Nguyễn Đức Thành, 2013) [17] Thực hiện công nghệ qua 3

năm, Viện đã tạo ra hàng trăm dòng DH từ nhiều nguồn vật liệu ưu tú khác nhau của các công ty giống trong và ngoài nước

1.5 Đánh giá dòng về các đặc tính nông sinh học

Việc tạo dòng và đánh giá dòng là công việc thường xuyên, không thể thiếu trong quy trình chọn tạo giống cây giao phấn nói chung cây ngô nói riêng Tạo dòng bằng phương pháp kích tạo đơn bội có thể tạo ra số lượng hàng nghìn dòng trong một vụ nên việc đánh giá phải được tiến hành thường xuyên và cẩn thận nhằm loại bỏ những dòng xấu, lựa chọn được dòng có những đặc tính nông sinh học quý Để tạo được một giống ngô lai thương mại tốt, việc chọn bố

mẹ các cặp lai phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm hình thái, sinh lý và năng suất của chính dòng đó (Ngô Hữu Tình và Nguyễn Đình Hiền, 1996) [12]

Các dòng được chọn làm mẹ cần có các đặc điểm như: Năng suất hạt cao, màu đẹp, dạng đá, chống đổ gãy tốt, phun râu đều, trỗ cờ thoát, kích thước cờ không to, chịu mật độ cao và khỏe, sạch bệnh nhất là bệnh thối bắp Với dòng làm bố cần có các đặc tính nông học sau: Khả năng kết hợp chung về năng suất cao, nhiều đặc điểm gần giống với dòng mẹ (thời gian sinh trưởng, màu hạt, chiều cao cây….), cờ cao to, trỗ thoát, bông cờ có nhiều nhánh, phấn nhiều, thời gian tung phấn dài, trỗ cờ tập trung, phát tán phấn tốt, chống chịu tốt với các điều kiện bất thuận (Gonzales and Vasal, 1999) [31]

Việc đánh giá dòng và thử khả năng kết hợp cần thực hiện một lúc bằng cách chia ô: Một phần hàng dùng để đánh giá, phần còn lại dùng để lai thử và duy trì dòng cho vụ sau Những dòng triển vọng nhất được đánh giá về các đặc tính nông sinh học như: Tỷ lệ hạt giống, sử dụng phân bón, khoảng cách gieo trồng… điều này giúp cho các nhà chọn tạo giống hoàn thành quy trình sản xuất hạt giống (Hallauer, 1990) [37]

1.6 Ưu thế lai và ứng dụng ưu thế lai trong chọn tạo giống

1.6.1 Khái niệm về ưu thế lai

Ưu thế lai là hiện tượng vượt trội của con lai so với các dạng bố mẹ về sức sống khả năng thích nghi, năng suất và chất lượng Người đầu tiên quan sát thấy hiện tương ƯTL ở Ngô là Charles Darwin, Ông đã nhận thấy những cây giao phấn phát triển cao hơn các cây tự phối 20% Sau đó East và Shull

đã giả thuyết hiện tượng ƯTL là một dạng kích thích đặc biệt (Shull, 1909)[49] Năm 1914 Shull đã đưa ra thuật ngữ “Heterosis” để chỉ ƯTL (Sprague,1953) [50] East và Shull được đánh giá cao về ứng dụng ƯTL trong chọn tạo giống hiện đại, hai ông đã nhận thấy: Tự phối sẽ làm suy giảm nhanh sức sống và giao phối thì phục hồi lại East đã cho thấy ý nghĩa to lớn của phương pháp lai giữa dòng thuần cho nền nông nghiệp và khích lệ các nhà sản xuất giống sản xuất hạt F1 Theo tác giả Hallauer (1990), [35] có thể chia ƯTL thành các loại sau:

+ Ưu thế lai về hình thái: Thể hiện sự phát triển mạnh mẽ của con lai

F1 thể hiện qua các chỉ tiêu hình thái (chiều cao cây, độ to thân, diện tích lá,

số nhánh cờ ) so với bố mẹ của chúng

+ Ưu thế lai về năng suất: Là hiện tượng năng suất của con lai F1 tăng

vọt so với bố mẹ của chúng về các chỉ tiêu năng suất và chỉ tiêu cấu thành năng suất như: Chiều dài bắp, đường kính bắp, khối lượng hạt, số hạt/bông Ưu thế lai về năng suất ở cây ngô với các giống lai đơn có thể đạt năng suất bằng 193 – 263% so với năng suất trung bình của bố mẹ (Trần Hồng Uy, 1972) [18]

+ Ưu thế lai về tính thích ứng: Được biểu hiện qua khả năng chống

chịu với điều kiện bất thuận của ngoại cảnh như: Khô, hạn, mặn, phèn, sâu, bệnh Khả năng chống chịu của các giống ngô lai do yếu tố di truyền (kiểu gen) quyết định được kế thừa từ các dòng bố mẹ và có thể di truyền cho thế

hệ sau (Tsagan Mandzhiev và Sotchenkov, 1989) [53]

+ Ưu thế lai về tính chín sớm: Được biểu hiện qua tính chín sớm hơn của tổ hợp lai so với bố mẹ chúng, nguyên nhân là do sự tăng cường hoạt động sinh lý, sinh hoá, trao đổi chất trong cở thể tổ hợp lai mạnh hơn bố mẹ (Hallauer, 1990) [35]

+ Ưu thế lai về sinh lý, sinh hóa: Là sự tăng cường quá trình trao đổi chất biểu hiện ở con lai so với cá thể bố mẹ chúng được thể hiện qua kiểu hình Nguyên nhân là do sự tăng lên về kích thước tế bào, số lượng tế bào Ví

dụ như khi nghiên cứu về quan hệ của hàm lượng isozyme estelaza và isozyme peroxydaza ở tổ hợp lai F1 so với bố mẹ ở một số dòng tự phối, kết quả cho thấy ở tổ hợp lai F1 (Bi/34) có hàm lượng isozyme peroxydaza cao hơn bố mẹ và cho ưu thế lai cao hơn về năng suất (Dai, and Lou, 1989)[26]

Để giải thích hiện tượng ƯTL đã có rất nhiều giả thuyết của các tác giả khác nhau tuy nhiên vẫn chưa có một giả thuyết nào giải thích được đầy đủ, toàn diện các mặt của hiện tượng Hai giả thuyết được chấp nhận rộng nhất là thuyết trội và siêu trội

1.6.2 Các thuyết giải thích hiện tượng ưu thế lai

Giả thuyết về tính trội: Các tác giả Bruce (1910), Jones (1917), Colin

(1921), (CIMMYT, 1990) [24], cho rằng các tính trạng trội hinh thành trong quá trình tiến hóa của sinh vật đề phù hợp với điều kiện ngoại cảnh Những gen tác động có lợi cho quá trình phát triển có thể trở thành gen trội hoặc bán trội, còn những gen gây tác động bất lợi có thể trở thành các gen lặn Các gen trội có thể kìm chế tác động gây hại của các gen lặn tương ứng trên cùng locus trên NST tương đồng hoặc tác động bổ trợ giữa các gen trội để hình thành tính trạng ƯTL Mặc dầu đã giải thích được phần lớn các biểu hiện của ƯTL nhưng giả thuyết này vẫn còn hạn chế như: Giả thuyết không giả thuyết không giải thích được tại sao ƯTL không duy trì được đến các thế hệ sau, năng suất F2 thường

giảm đi 30 – 40% so với F1 hoặc hiện tượng khi các dòng thuần ở trạng thái đồng hợp tử với các gen trội đã đạt đến mức cao nhưng lại không cho ƯTL

Thuyết siêu trội: Thuyết siêu trội được đề xuất bởi Shull (1908) [48],

và Hull (1945) [38] Thuyết này đã giải thích hiện tượng ƯTL bằng tương tác của các alen thuộc cùng một locus trong tình trạng dị hợp tử Ở trạng thái dị hợp tử, con lai có sức sống mạnh và năng suất cao hơn các dạng đồng hợp tử trội và lặn của nó được biểu thị ở một tính trạng

AA<Aa>aa Như vậy, cơ thể lai F1 có ƯTL lớn nhất khi có chứa nhiều nhất alen dị hợp tử Thuyết siêu trội giải thích hiện tượng ƯTL là do sự tích lũy các gen ở trạng thái dị hợp tử và giải thích được sự suy giảm sức sống và năng suất ở các thế sau F1 là do sự tăng dần của trạng thái đồng hợp tử (Trần Tú Ngà,1990; Ngô Hữu Tình, 1997) [9],[13]

1.6.4 Ứng dụng ƯTL về năng suất trong chọn tạo giống ngô

Nhờ ứng dụng thành công hiện tượng ƯTL trong công tác chọn tạo giống, được sự quan tâm của Đảng, Chính phủ và sự chỉ đạo sâu sát của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn với mục tiêu đưa cây ngô lai có năng suất cao vào Việt Nam dần thay thế các giống ngô địa phương, giống thụ phấn tự do có năng suất thấp đã góp phần quan trọng vào việc tăng năng suất

ngô của Việt Nam Năm 1995 năng suất ngô hơn 2,17 tấn/ha đến nay năng suất đã đạt 4,3 tấn/ha tăng hơn 198% (Tổng cục thống kê, 2014)[59]

Hình 1.3 Biểu đồ tốc độ tăng trưởng về năng suất ngô Việt Nam

Khi nghiên cứu ƯTL về năng suất của các dòng ngô tham gia tạo giống lai lá đứng cho thấy: UTL thực về năng suất của 45 tổ hợp lai cao hơn năng năng suất trung bình bố mẹ của chúng từ 44,9 % đến 216,6% (Kiều Xuân Đàm, 2001)[2]

Nghiên cứu UTL về năng suất giữa các dòng ngô thuần chị em cho thấy: UTL thực của 21 tổ hợp lai cao hơn so với năng suất trung bình của bố

mẹ chúng từ 7,1% đến 64% (Nguyễn Hữu Phúc, 2000)[10]

Source: Vietnam GSO, 2013

1.7 Đánh giá khả năng kết hợp bằng phương pháp lai đỉnh

1.7.1 Khả năng kết hợp

Khả năng kết hợp là một thuộc tính được kiểm soát bởi yếu tố di truyền, nó được truyền lại qua tự phối cũng như lai Khả năng kết hợp được đánh giá thông qua đánh giá khả năng kết hợp chung và khả năng kết hợp riêng Một dòng thuần được cho là tốt ngoài có những đặc tính nông sinh học quý cần phải có KNKH cao (Ngô Hữu Tình, 1999) [14]

Khái niệm khả năng kết hợp (KNKH) biểu hiện phản ứng của dòng qua lai (Sprague and Tatum, 1942)[51] phân KNKH thành 2 loại: KNKH chung

so với giá trị ưu thế lai trung bình của nó (Sprague, 1957) [52] KNKHR chủ yếu do tác động của yếu tố trội, siêu trội, ức chế và điều kiện môi trường

Do vậy, đánh giá KNKH là xác định tương tác giữa các gen Việc giữ hay loại bỏ dòng thuần ngoài các đặc tính nông học còn dựa vào đánh giá KNKH (Hallauer and Miaranda, 1981) [33] Trong thực tế việc đánh giá KNKH vô cùng khó khăn vì KNKH của một dòng không thể đo đếm hay đánh giá bằng mắt thường được Cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu để xác định khả năng kết hợp của một nguồn vật liệu, nhưng vẫn chưa đưa ra được một phương pháp nào ngoài việc đánh giá bằng cách thông qua lai thử

Ảnh hưởng của KNKH chung lớn hơn và quan trọng hơn đối với những dòng không chọn lọc và ảnh hưởng của KNKH riêng quan trọng hơn ở tổ hợp

lai giữa các dòng mà đã được thử trước, sự khác nhau về KNKH chung lớn hơn sự khác nhau về KNKH riêng (Sprague and Tatum, 1942) [51]

Quan hệ giữa KNKH chung và KNKH riêng thông qua tác động trội và

ức chế được xác định bằng việc tính toán các phương sai di truyền cộng, di truyền trội và ức chế trội (Allard, 1960; Darrah and Hallauer, 1973; Trần Đình Long và Hoàng Văn Phần, 1990) [19], [36], [8]

1.7.2 Đánh giá khả năng kết hợp bằng phương pháp lai đỉnh

Lai đỉnh là phương pháp lai thử để xác định KNKH của vật liệu lai tạo giống, được Davis đề xuất năm 1927 sau đó đã được Jenkin và Bruce phát triển vào những năm 1932 KNKH chung của quần thể gốc và các thế hệ có nguồn gốc

từ chúng là vô cùng quan trọng để tạo giống ngô lai (Davis, 1927) Để xác định đặc điểm tương đối của các dòng tự phối cần phải được đánh giá thông qua lai đỉnh (Hallauer, 1990) [37]

Để xác định khả năng kết hợp của một dòng cần lai chung với một dạng chung gọi là cây thử (tester), thông qua khảo sát đánh giá tổ hợp lai sẽ xác định được KNKH của dòng Phương pháp này rất hữu ích vì khi đánh giá dòng với số lượng lớn các nhà chọn giống sẽ không thể tiến hành đánh giá bằng lai luân phiên (Ngô Hữu Tình, 1997) [13]

Các nhà chọn tạo giống ngô ở Mỹ cho rằng chọn lọc bằng mắt thường

là rất quan trọng Do đó nghệ thuật của các nhà chọn tạo giống là quan trọng trong tạo dòng Theo Bauman có tới 60% các tạo giống đánh giá dòng bằng lai thử trong đó lai thử ở S-3 là 33%, S-4 là 27% và 22% đánh giá ở S5 (Ngô Hữu Tình, 2009) [15]

Chọn cây thử (tester) trong lai đỉnh từ lâu đang là vấn đề tranh luận và có nhiều ý kiến khác nhau Cho đến nay vẫn chưa có một thông tin thực nghiệm đầy

đủ nào về cây thử Có thể chọn cây thử có thể có nền di truyền rộng (giống tổng hợp, lai kép ) hoặc có nền di truyền hẹp (dòng thuần, giống lai đơn ) Tuy

nhiên, kinh nghiệm của các nhà tạo giống nên chọn cây thử không có quan hệ họ hàng với vật liệu cần thử và thuộc nhóm ưu thế lai đối ứng sẽ cho ƯTL cao Để có kết quả chính xác các nhà tạo giống thường sử dụng hai hoặc nhiều cây thử có nền

di truyền khác nhau (Ngô Hữu Tình, 2009) [15]

Xuất phát từ mục tiêu kinh doanh, các nhà tạo giống ngô lai thương mại thường sử dụng các dòng ưu tú làm cây thử vì họ muốn xác định một tổ hợp lai đỉnh là một lai đơn phục vụ cho sản xuất giống ngô lai thương mại (Ngô Hữu Tình, 1997) [13] Theo CIMMYT mô hình cây thử cần có khả năng phân biệt được sự sai khác giữa các vật liệu được thử về KNKH và các tính trạng mong muốn, đồng thời có khả năng phát hiện ra THL hữu ích để sử dụng ngay, mang tính thực dụng với trương trình phát triển ngô lai (Vasal, 1999) [54]

Tại Việt Nam, các nhà tạo giống thường có sự kết hợp hai loại cây thử: Một

là cây thử có nền di truyền rộng (một quần thể cải tiến hay một giống thụ phấn tự do), hai là cây thử có nền di truyền hẹp (một dòng thuần) để vừa xác định KNKH của dòng nghiên cứu, vừa tìm ra một giống lai ưu tú phục vụ sản xuất (Mai Xuân Triệu, 1998) [11] Nguyễn Thị Nhài (2012) khi đánh giá khả năng kết hợp chung của 15 dòng ngô nếp bằng phương pháp lai đỉnh đã sử dụng 2 cây thử được tạo ra

từ 2 nguồn có nguồn gốc địa lý khác xa nhau là HN1 và HN9

Ngô ở vùng nhiệt đới có sự đa dạng về nhóm ƯTL, không phải chí có 2 nhóm (ISSS và Lancaster) như vành đai ngô nước Mỹ Mặt khác, Việt Nam các nguồn dùng rút dòng đa số là các giống ngô lai của các công ty giống đa quốc gia trên thế giới thường không biết rõ nguồn gốc, nên cây thử có nguồn gốc di truyền khác với các nguồn đem thử hay không là không rõ Do vậy, nên chọn nhiều cây thử, việc chọn cây thử sẽ phụ thuộc vào nhóm ƯTL, mỗi nhóm ƯTL chọn ít nhất một cây thử, và tùy vào giai đoạn của chương trình tạo giống mà chọn cây thử có nền di truyền rộng hay hẹp Khi đã có các giống lai đơn tốt nên chọn cây thử là bố hay mẹ của giống lai này, khi đó sẽ giúp các nhà chọn giống

có thể đánh giá được KNKH của các dòng khá chuẩn xác và có thể xác định được những THL có triển vọng phục vụ sản xuất (Phan Xuân Hào và Cs, (1997), (2004) [6], [7]

Có 2 kiểu thiết kế lai đỉnh gồm: Lai đỉnh toàn phần và lai đỉnh từng phần Lai đỉnh toàn phần tất cả các dòng được lai với cây thử chung Lai đỉnh từng phần mỗi dạng bố mẹ không lai với tất cả mà chỉ lai với một số cây thử

Do đó có thể tăng số cây thử mà không tăng khối lượng công việc

Mô hình toán học của các cặp lai đỉnh (Griffing, 1956)[32]

Xij = µ + gi + gj + sij + eijk

Trong đó: độ lớn tính trạng tổ hợp lai (i x j) ở lần nhắc k; gi: KNKH chung của cây thử i; gj: KNKH chung của cây thử j; sij: KNKH riêng giữa dòng i và cây thử j và sai số ngẫu nhiên

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu nghiên cứu

- Vật liệu nghiên cứu gồm 28 dòng ngô DH được tạo ra từ 6 nguồn vật liệu khác nhau bằng phương pháp kích tạo đơn bội và 4 cây thử có khả năng kết hợp chung tốt của Viện, trong đó chọn ra 2 dòng D3 và D3105M làm đối chứng trong thí nghiệm đánh giá dòng(bảng 1)

Bảng 2.1 Danh sách dòng tham gia thí nghiệm

1 DHA1 NK4300 - Syngenta 17 DHB3 DK9901 - Monsato

2 DHA2 NK4300 - Syngenta 18 DHB4 DK9901 - Monsato

3 DHA3 NK4300 - Syngenta 19 DHB5 DK9901 - Monsato

4 DHA4 NK4300 - Syngenta 20 DHB6 DK9901 - Monsato

5 DHA5 NK6326 - Syngenta 21 DHB7 DK9955 - Monsato

6 DHA6 NK6326 - Syngenta 22 DHB8 DK9955 - Monsato

7 DHA7 NK6326 - Syngenta 23 DHB9 DK9955 - Monsato

8 DHA8 NK67 - Syngenta 24 DHB10 DK9955 - Monsato

9 DHA9 NK67 - Syngenta 25 DHB11 DK9955 - Monsato

10 DHA10 NK67 - Syngenta 26 DHB12 DK9955 - Monsato

11 DHA11 NK67 - Syngenta 27 DHB13 DK9955 - Monsato

12 DHA12 NK7328 - Syngenta 28 DHB14 DK9955 - Monsato

13 DHA13 NK7328 - Syngenta 29 CT1 (đ/c) D3 (Monsato)

14 DHA14 NK7328 - Syngenta 30 CT2 (đ/c) D3105M (Monsato)

15 DHB1 DK9901 - Monsato 31 CT3 NK4300 - Syngenta

16 DHB2 DK9901 - Monsato 32 CT4 NK66 - Syngenta

- Thí nghiệm đánh giá khả năng kết hợp của 28 dòng được chia thành 2

sơ đồ lai đỉnh khác nhau:

+ Sơ đồ lai đỉnh 1: Gồm 14 dòng có mã từ DHA1 đến DHA14 được rút từ các vật liệu của công ty Syngenta lai với hai cây thử D3 và D3105M (Dòng D3 và D3105M là dòng tự phối của Viện có khả năng kết hợp chung tốt, là bố mẹ của giống ngô lai đơn LVN61 và LVN66)

Bảng 2.2 Danh sách dòng và các THL được tạo ra từ lai đỉnh 1

Stt Dòng Dòng x D3 Dòng x D3105M

+ Sơ đồ lai đỉnh 2: Gồm 14 dòng có mã từ DHB1 đến DHB14 được rút

từ các vật liệu của công ty Monsato lai với hai cây thử CT3 và CT4 (Trong đó cây thử CT3 là dòng tự phối đời S9 có khả năng kết hợp chung tốt được rút từ giống ngô lai đơn NK4300 và dòng CT4 là dòng tự phối đời S9 có khả năng kết hợp chung tốt được rút từ giống ngô lai đơn NK66)