Cơ sở di truyền chọn giống thực vật

Cơ sở di truyền chọn giống thực vật

HOÀNG TRỌNG PHÁN (Chủ biên) TRƯƠNG THỊ BÍCH PHƯỢNG

Gi¸o tr×nh C¥ Së DI TRUYÒN CHäN GIèNG THùC VËT

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC HUẾ

Huế - 2008

Trong chương này chúng ta sẽ lần lượt tìm hiểu các vấn đề sau: (i) Khái niệm và phân loại giống cây trồng; (ii) Các hướng nghiên cứu cơ bản của công tác chọn tạo giống cây trồng; và (iii) Bản chất và nhiệm vụ của ngành khoa học chọn giống

I Khái niệm và phân loại giống cây trồng

1 Khái niệm về giống

Thuật ngữ giống (tiếng Latin: varietas; tiếng Anh: variety) dùng để chỉ

một quần thể các sinh vật cùng loài do con người chọn tạo ra và có các đặc điểm di truyền xác định Tất cả các cá thể của cùng một giống đều có các tính trạng hay thường được gọi là các đặc tính về hình thái-giải phẫu, sinh lý-sinh hoá, năng suất v.v hầu như giống nhau và ổn định trong những điều kiện sinh thái và kỹ thuật sản xuất phù hợp

Từ khái niệm về giống như vậy, ta có thể hình dung giống cây trồng

(crop variety; cultivar) là một nhóm các thực vật có các đặc trưng sau:

- Có nguồn gốc chung với các tính trạng hay đặc điểm giống nhau

- Mang tính di truyền đồng nhất (nghĩa là có sự ổn định, ít phân ly) về

các tính trạng hình thái và một số đặc tính nông sinh học khác như: chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, khả năng chống chịu sâu bệnh v.v

- Mang tính khu vực hoá, nghĩa là tất cả các đặc điểm hay tính trạng

của giống được biểu hiện trong những điều kiện ngoại cảnh (như đất đai, khí hậu, các biện pháp kỹ thuật sản xuất) nhất định Từ đây xuất hiện các khái niệm về giống chịu hạn, chịu mặn, chịu úng v.v

- Do con người tạo ra nhằm thoả mãn một hoặc một vài nhu cầu và thị

hiếu nhất định, như: năng suất cao, chất lượng tốt, giá trị thương phẩm cao Các giống vật nuôi và cây trồng vì vậy được xem là những phương tiện sống của một nền sản xuất nông nghiệp cụ thể (Hình 1.1)

Chọn lấy chồi bên

Chọn lấy chồi đỉnh

Chọn lấy các cụm hoa Chọn lấy thân và hoa

Cải bông

Hình 1.1 Từ cây cải dại phổ biến ban đầu (Brassica oleracea), qua quá trình

thuần hoá và chọn lọc lâu dài theo các hướng khác nhau, con người đã tạo ra nhiều giống cải trồng khác nhau ngày nay Mỗi giống có một tên riêng, ví dụ: cải

hoa lơ (B oleracea var botrytis); su hào (B oleracea var caulorapa) v.v.

Khi đề cập đến khái niệm "giống", thông thường người ta muốn đề cập tới các tính trạng và đặc tính của giống (Hình 1.2)

- Tính trạng (characters): Đó là những đặc điểm về hình thái và cấu tạo

quan sát được của các cây trong cùng một giống giúp ta phân biệt với các giống khác trong cùng một loài Để nhận biết các tính trạng như vậy, thường người ta chia ra các nhóm sau đây:

+ Các đặc điểm về hình thái, như: chiều cao cây, chiều dài bông, số hạt trên bông, số bông trên khóm, kích thước lá v.v Nói chung đây là những

tính trạng số lượng (quantitative characters), nghĩa là có thể

"cân-đong-đo-đếm" được; chúng thường do nhiều gene kiểm soát và chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện môi trường

+ Các đặc điểm về cấu tạo, như: độ dày của bông, màu sắc và hình

dạng của thân, lá, hoa và quả Đây là những tính trạng chất lượng

(qualitative characters), thường do một gene kiểm soát, ít chịu tác động

của điều kiện ngoại cảnh và có thể quan sát được bằng mắt thường

+ Diễn biến của một quá trình sinh học, như: hô hấp, quang hợp, hoặc phản ứng quang chu kỳ v.v thường tỏ ra rất mẫn cảm với các điều kiện sinh thái của môi trường như nhiệt độ, ánh sáng, độ dài ngày Tất cả các yếu tố này có thể tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự hoạt động của các enzyme kiểm soát một quá trình sinh học cụ thể, và qua đó có thể ảnh hưởng đến các tính trạng chất lượng

- Đặc tính (characteristics): Đó là những tính chất hay đặc điểm sinh

lý, sinh hoá đặc trưng có liên quan đến các đặc tính chống chịu của thực vật (như chịu mặn, hạn, rét, úng v.v.) và đặc điểm kỹ thuật canh tác

(b)

Hình 1.2 Một số tính trạng hình thái ở các giống lúa trồng (Oryza sativa): (a)

màu sắc vỏ trấu, tính có râu - không râu trên mỏ hạt, mật độ và các sắp xếp hạt trên bông; (b) màu sắc vỏ cám, độ bạc bụng và kích thước của hạt gạo

2 Vấn đề phân loại giống

Theo Dennis (1982), sự tiến hoá của giống phải đặt trong bối cảnh quan hệ giữa sinh vật, môi trường và con người, và chia thành ba thời kỳ:

Giống ban đầu được hình thành nối tiếp từ sự chọn lọc tự nhiên, được

hoàn thiện dần dưới sự tác động của môi trường sinh thái, của lao động con người, nhưng còn mang đậm dấu ấn các đặc tính của quần thể hoang dại Một số giống địa phương vẫn còn trong tình trạng của giống ban đầu

Giống cải tiến có tiêu chuẩn (về ngoại hình, năng suất ) do con người

đặt ra theo nhu cầu để chọn lọc và cải tiến khả năng của sinh vật

Giống cao sản là những giống có năng suất cao hơn hẳn giống cải tiến,

và khá phổ biến trên thế giới

Từ sự kết hợp các đặc điểm địa lý và năng suất của sinh vật với nhu cầu của con người, người ta chia thành:

- Giống địa phương là giống tồn tại phổ biến ở một vùng địa lý nhất

định của một quốc gia hay một khu vực rộng lớn của thế giới, có năng suất kém hơn so với trung bình các giống cao sản của thế giới

- Giống cao sản là giống phổ biến khắp thế giới, có thể phát triển ở

nhiều vĩ tuyến khác nhau, với năng suất cao hơn các giống địa phương

- Giống chuyên dụng là giống được tạo ra nhằm thu nhận một loại sản

phẩm xác định nhưng được phổ biến trên thế giới do giao lưu thương mại

Về mặt phân loại học, "giống" là đơn vị phân loại dưới loài, có tính chất quy ước dùng để chỉ các quần thể khác nhau trong cùng một loài do con người chọn tạo ra Về mặt sinh học, các cá thể trong cùng một giống

có kiểu gene và kiểu hình nói chung là giống nhau; còn về mặt thực tiễn, điều quan tâm là dạng hình và tính năng sản xuất của giống có đáp ứng được nhu cầu định hướng của việc sử dụng hay không (Hình 1.1 và 1.2) Đối với việc phân loại lúa trồng chẳng hạn, nhiều lỗ lực đã được tiến

hành tập trung chủ yếu vào loài lúa trồng châu Á (Oryza sativa), bởi nó là

nguồn lương thực chính của hơn một nửa dân số thế giới Đây là loại cây lương thực chính có lịch sử trồng trọt lâu đời tại châu Á Ngày nay loài cây này đã được trồng rộng rãi ở nhiều vùng trên trái đất; kể cả Bắc và Nam Mỹ, châu Âu và châu Phi, trải rộng từ vùng xích đạo cho đến các vùng thuộc vĩ tuyến 500 Bắc và xa hơn nữa Nó có thể trồng thậm chí tại những vùng có độ cao tới 2.600m Chính những điều kiện môi trường tự nhiên khác biệt này cùng với các phương thức trồng trọt khác nhau đã góp phần tạo ra các kiểu sinh thái mới và các giống lúa mới có khả năng thích nghi khác nhau

Dựa trên đặc điểm bất thụ của con lai F1 và các đặc điểm hình thái,

sinh thái và sinh lý, loài lúa trồng châu Á (O sativa) được chia thành ba

loài phụ: Indica, Japonica và Javanica đặc trưng cho ba vùng địa lý tương ứng là Ấn Độ, Trung Quốc-Nhật Bản và Indonesia (xem chương 2) Trong quá trình chọn giống lúa, nhiều giống đặc sản nổi tiếng ra đời gắn liền với các địa danh như: Tám xoan Hải Dương, Tám thơm Hải Hậu, v.v Các giống lúa do Viện nghiên cứu lúa quốc tế (IRRI, đặt tại Manila - Philippines) lai tạo ra với ký hiệu IR- từng góp phần tạo ra cuộc cách mạng xanh nổi tiếng như: IR-8, IR-36, IR-64, ; hoặc từ Viện di truyền nông nghiệp nước ta như: DT-11, DT-14, DT-17,

II Các hướng cơ bản của chọn giống cây trồng

Nói chung, sự phát triển của chọn giống cây trồng diễn ra theo các hướng chính sau: (i) Hướng chọn lọc dựa trên sự lai hữu tính (còn gọi là chọn giống truyền thống); (ii) Hướng chọn tạo giống dựa trên các kỹ thuật gây đột biến bằng phóng xạ và hoá chất; (iii) Hướng chọn giống dựa trên

sự ứng dụng các kỹ thuật của công nghệ sinh học như: nuôi cấy mô-tế bào, lai tế bào soma, kỹ thuật di truyền và công nghệ DNA tái tổ hợp

Thế giới ngày nay đang phải đối mặt với hàng loạt các thách thức trong việc phát triển công nghệ nhằm đáp ứng lương thực trước việc dân

số tăng nhanh trong khi các nguồn tài nguyên thiên nhiên lại có hạn; và có nhiều nguy cơ dẫn tới sự phá vỡ cân bằng các hệ sinh thái nông nghiệp và môi sinh trên toàn cầu Vì vậy cần phải:

1 Xây dựng các ngân hàng gene hay quỹ gene nhằm góp phần bảo tồn

sự đa dạng sinh học và phục vụ cho việc cải tiến các đặc tính mong muốn của một giống loài cụ thể trong các chương trình chọn giống thực vật

2 Ưu tiên trong công tác chọn tạo giống là tạo ra các giống cây trồng mới có tiềm năng năng suất cao hơn và ổn định về năng suất, đặc biệt là sự giải phóng tiềm năng di truyền bị bắt giữ

3 Áp dụng phối hợp các kỹ thuật chọn giống đột biến và các phương pháp của sinh học phân tử với các chương trình chọn giống thông thường (để cải tiến và tạo các giống cây trồng mới) cũng như phát triển các hệ thống chọn giống mới

4 Hướng tới nền sản xuất nông nghiệp phát triển bền vững, trong đó

sự cân bằng sinh thái được quan tâm đúng mức, theo hướng sản xuất ngày càng nhiều sản phẩm hơn nhưng giảm thiểu nguy cơ phá hoại thiên nhiên Dưới đây là một số nhận định có tính chất định hướng đối với công tác chọn giống cây trồng được nêu ra trong một số hội nghị quốc tế gần đây:

y Hội nghị Quốc tế do IAEA và FAO phối hợp tổ chức tại Vienna (IAEA 1995) nhấn mạnh khả năng phối hợp sử dụng các kỹ thuật đột biến

và sinh học phân tử để cải tiến cây trồng như là một con đường hiệu quả cần áp dụng trong các chương trình chọn giống, đặc biệt là ở các nước đang phát triển, để đạt tới một nền nông nghiệp phát triển bền vững

S Machi nhận định: "Các kỹ thuật đột biến cung cấp cơ hội tạo ra các biến dị trong quỹ gene vốn không sẵn có với các phương pháp khác Di truyền học phân tử cho phép định vị một gene quan tâm trên bản đồ giúp các nhà chọn giống thực vật tiến hành chọn lọc marker đối với tính trạng như là bước đầu tiên hướng tới việc phân lập gene để đưa trở lại vào cùng loài cây hoặc các loài khác nhau Sự tổ hợp của các kỹ thuật đột biến và

các phương pháp sinh học phân tử sẽ dẫn tới sự gia tăng hiểu biết về di truyền học cơ sở và sinh lý học thực vật đối với nhiều tính trạng quan trọng cho việc tăng sản lượng của thực vật Chúng ta đừng quên rằng các công nghệ mới này cũng chỉ là những công cụ trong một bộ công cụ, và để thành công chúng phải được sử dụng trong sự phối hợp rộng rãi với các chương trình chọn giống thực vật thông thường." (tlđd)

y Trong phiên khai mạc Hội nghị Di truyền học Quốc tế lần thứ XVIII tại Bắc Kinh (10-15/8/1998), C.C.Tan (1998) nói rằng: "Chọn giống hay cải thiện di truyền cho các giống cây trồng mới với năng suất cao hơn và chất lượng tốt hơn là mục tiêu trọng tâm của chúng ta Đó là cách thức khả

dĩ hiệu quả nhất để giữ cho việc sản xuất lương thực theo kịp đà tăng dân số Tuy nhiên để tăng hơn nữa năng suất trên mỗi đơn vị diện tích, các kỹ thuật chọn giống mới phải được thực hiện bằng các công nghệ khác Di truyền học là cơ sở khoa học cho sự phát triển các hệ thống chọn giống." Theo G.S Khush (1998): "Trong quá khứ việc sản xuất lương thực gia tăng là kết quả của sự gia tăng tiềm năng năng suất của các giống mới cũng như tăng diện tích trồng trọt Trong tương lai, những sự gia tăng chủ yếu trong diện tích trồng trọt là không thể được Bằng cách đó, chúng ta phải sản xuất nhiều lương thực hơn từ ít đất đai hơn, với ít thuốc trừ sâu, ít lao động hơn và ít nước hơn Vì vậy, phải cần đến các giống cây trồng có

tiềm năng năng suất cao hơn và ổn định về năng suất Tiềm năng năng

suất của các giống cây trồng được tăng lên thông qua các quy trình lai và

chọn lọc thông thường, cải biến các ideotype (kiểu gene cá thể) thực vật, khai thác ưu thế lai và bằng cách làm giàu thêm quỹ gene cây trồng thông

qua lai rộng rãi Sự ổn định về năng suất được tăng cường thông qua kết

hợp các gene kháng sâu bệnh và chống chịu stress vô sinh "

III Khoa học chọn giống

1 Khái niệm và nhiệm vụ của khoa học chọn giống

1.1 Chọn giống cây trồng là gì?

Chọn giống cây trồng (plant breeding) là một khoa học dựa trên các nguyên lý của di truyền học và di truyền tế bào học (và đặc biệt là, di truyền học phân tử - bổ sung của tác giả); nó bao gồm các nguyên lý và phương pháp cần cho việc cải tiến bản chất di truyền của các cây trồng

Và kết quả thường là tạo ra các giống cây trồng phù hợp hơn các giống hiện có về một hoặc nhiều phương diện (Singh 1986)

Vậy bản chất của chọn giống thực vật là gì? Liệu chọn giống cây trồng

là một nghệ thuật hay một khoa học, đây là một vấn đề khó khăn cho bất

kỳ ai thích tranh cãi Khoa học là tri thức thu được thông qua các phương

pháp khoa học Phương pháp khoa học bao gồm sự quan sát, xây dựng một giả thuyết, thí nghiệm kiểm tra và kết luận về sự chấp nhận hay bác

bỏ giả thuyết đó (Hình 1.3) Như vậy khoa học là khách quan về cách tiếp cận (đối tượng), trong khi nghệ thuật có tính chủ quan cao

Đề xuất

Giả thuyết mới

Đề xuất Giả thuyết mới

dựa trên nhiều quan sát hơn nữa Nếu chấp nhận,

Thiết kế Thí nghiệm

(Kiểm tra giả thuyết)

Phát triển khung khái niệm:

Dự đoán

Tiến hành Quan sát Hình thành Giả thuyết

Hình 1.3 Phương pháp nghiên cứu khoa học

Nếu chối bỏ,

Từ lâu, con người phụ thuộc vào các kỹ năng của mình trong khi chọn lọc các cây tốt hơn Với kiến thức về thực vật rất hạn chế, con người chưa biết gì về sự di truyền các tính trạng, vai trò của môi trường trong sản xuất

và cơ sở của sự xuất hiện các biến dị Các phương pháp chọn lọc đã được thiết kế mà không một chút hiểu biết về các nguyên lý di truyền Vì vậy, chọn giống cây trồng lúc đó chủ yếu là một nghệ thuật Nhưng các phương pháp chọn giống cây trồng ngày nay dựa trên các nguyên lý khoa học của các khoa học về thực vật hẳn hòi, đặc biệt là di truyền học và di truyền học phân tử Như vậy, một phần lớn của công việc chọn giống là thuần tuý khoa học với rất ít nghệ thuật can dự vào Tuy nhiên, việc chọn đúng các cây mong muốn ngay cả hiện nay phần nhiều mang tính nghệ thuật vì nó tuỳ thuộc chủ yếu vào khả năng quan sát tinh tế của nhà chọn giống để xác định đúng các biến dị có lợi, các cây tốt hơn khả dĩ mang lại nguồn giá trị kinh tế cao Như vậy, chọn giống cây trồng ngày nay chủ yếu là một khoa học Một nhà chọn giống cây trồng hiện đại phải biết tất cả những gì anh ta có thể biết về đối tượng của mình, và tham dự vào kiến thức của nhiều môn học có liên quan

1.2 Lịch sử của chọn giống thực vật

y Thật hợp lý khi giả định rằng chọn giống cây trồng khởi thuỷ bắt đầu khi con người lần đầu tiên chọn ra những cây hoang dại nào đó đem về

trồng trọt Quá trình như vậy được gọi là sự thuần hoá (domestication)

Trong khi thuần hoá có thể có sự chọn lọc nào đó; và điều này có thể cho

ra các kiểu tốt hơn các kiểu hoang dại Như vậy, sự thuần hoá có thể được xem như một phương pháp chọn giống cây trồng, Sự thuần hoá vẫn còn tiếp diễn cho đến nay, và có lẽ tiếp tục một thời gian nào đó trong tương lai Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp của các cây gỗ, cây thuốc

y Trong một thời kỳ dài của lịch sử trồng trọt và trước đó, chọn lọc tự nhiên đã tác động nhất định trên các loài được thuần hoá Có thể con người cũng đã áp dụng sự chọn lọc nào đó, một cách có chủ ý hoặc không chủ ý Sự di chuyển của con người từ vùng này sang vùng khác đã kéo theo sự chuyển chỗ của các loài cây trồng này Việc đưa vào một khu vực các loài hoặc các giống cây trồng mới từ các vùng khác của thế giới là một phần không thể thiếu của sự chọn giống ngày nay

y Các người Babylon và Assyrian đã thụ phấn nhân tạo cây chà là rất sớm vào khoảng năm 700 trước công nguyên Năm 1717, Thomas Fairchild tạo ra cây lai nhân tạo đầu tiên Vào khoảng giữa những năm

1760 và 1766, Joseph Koelreuter (người Đức) đã tiến hành các phép lai rộng rãi ở cây thuốc lá Andrew Knight (1759-1835) có lẽ là người đầu tiên sử dụng lai nhân tạo để phát triển một số giống cây ăn quả mới Vào khoảng năm 1840, Le Couter và Shireff sử dụng chọn lọc cá thể ở thực vật (individual plant selection) và thử nghiệm đời con (progeny test) để tạo ra một số giống cây ngũ cốc có ích Vilmorin (1856) phát triển xa hơn nữa việc thử nghiệm đời con và sử dụng thành công phương pháp này trong

việc cải tiến giống củ cải đường (Beta vulgaris) Phương pháp chọn lọc cá

thể thực vật đã được phát triển về chi tiết bởi Nilsson-Ehle và đồng sự tại Svalof (Thuỵ Điển) khoảng năm 1900 Đến 1903, Johannsen (Hình 1.4) đưa ra thuyết dòng thuần cung cấp cơ sở di truyền cho sự chọn lọc cá thể ở thực vật

Hình 1.4 R.C.Darwin, G.Mendel, H.De Vries, W.Johannsen và G.H.Shull (từ trái sang)

Chúng ta còn nhớ rằng, trong cuốn sách vĩ đại của mình, Nguồn gốc

các loài (Origin of Species), Charles Darwin (Hình 1.4) đã không bắt đầu

bằng việc giải thích chọn lọc tự nhiên như ta có thể kỳ vọng Thay vì thế, chương 1 của cuốn sách này dành một phần khá dài để giải thích bằng cách nào các cây trồng và vật nuôi phát sinh thông qua chọn lọc nhân tạo bởi con người Các nguyên lý của sự phát triển cây trồng bằng chọn lọc nhân tạo này vẫn còn được dùng làm mô hình cho sự hiểu biết của chúng

ta về nguồn gốc các loài bằng chọn lọc tự nhiên

y Thông qua các công trình của Gregor Mendel (Hình 1.4), Hugo Marie de Vries (Hình 1.4), và nhiều người khác, sự phát triển của di truyền học vào đầu thế kỷ XX đã thiết lập nền móng khoa học vững chắc cho chọn giống thực vật Ở giai đoạn di truyền học cổ điển, các quy luật di truyền của Mendel cung cấp cơ sở ban đầu cho việc xác định được các phương thức di truyền khác nhau Nhờ đó các nhà nghiên cứu đã đóng góp cho sự phát triển và hiểu biết về chọn giống thực vật Chẳng hạn, từ các

kết quả nghiên cứu của H.G Shull (Hình 1.4) về chọn giống ngô (Zea

mays), ông phát hiện ra rằng sự nội phối (inbreeding) làm giảm đáng kể ưu

thế về sức sống và sức sản xuất Nhưng khi lai giữa các dòng nội phối với nhau, các con lai thu được lại có ưu thế lai cao hơn hẳn các giống ban đầu Các quan sát này dẫn tới việc tạo ra các giống lai phổ biến ở ngô và nhiều cây trồng khác Chẳng hạn, vào giữa thế kỷ XIX, năng suất kỷ lục của ngô đạt 5 tấn/ha, thì hiện nay năng suất bình quân ở Mỹ và châu Âu đạt khoảng 10-15 tấn/ha, và kỷ lục vượt 20 tấn/ha; v.v

Cho đến nay, cùng với các chương trình chọn giống thông thường, việc sử dụng các kỹ thuật đột biến trong chọn giống thực vật đã tạo ra hàng loạt giống cây trồng mới; việc áp dụng kỹ thuật di truyền gần đây cho phép tạo ra các giống cây trồng biến đổi gene độc đáo chưa từng có trước đây Nhiều giống lúa lai siêu cao sản (super hybrid rice) có ưu thế lai vượt trội với năng suất cực cao đã được tạo ra từ chương trình chọn giống lúa lai ở Trung Quốc [L.P.Yuan (1998) dự kiến đến năm 2000 năng suất hạt có thể đạt 100 kg/ha mỗi ngày, nhưng thực tế đến 2001 năng suất hạt đạt mức kỷ lục là 150-160 kg/ha mỗi ngày.]

1.3 Các nhiệm vụ và mục tiêu của chọn giống thực vật

y Các nhiệm vụ chính của chọn giống thực vật:

- Nghiên cứu sự phân bố, bảo quản và sử dụng nguồn gene thực vật mà

cụ thể là sự đa dạng về giống và loài của đối tượng cần cho chọn giống

- Nghiên cứu các hệ thống sinh sản và cơ sở di truyền của sự chọn giống các cây trồng thuộc các phương thức sinh sản khác nhau và xây

dựng các phương pháp chọn lọc thích hợp đối với từng nhóm loài thực vật

- Nghiên cứu và đánh giá vai trò của môi trường trong sự phát triển của các tính trạng ở đối tượng chọn giống

- Nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện các hệ thống chọn giống khác nhau ở thực vật: chọn giống truyền thống bằng lai tạo, chọn giống bằng các kỹ thuật đột biến và chọn giống bằng các kỹ thuật của công nghệ sinh học hiện đại cũng như khả năng kết hợp giữa các hệ thống chọn giống này

LAI 1 GIỮA CÁC GIỐNG

THUẦN HOÁ

THU THẬP QUỸ GENE

Hình 1.5 Các hoạt động trong chọn giống thực vật (theo Singh 1986)

ĐỘT BIẾN

NHẬP NỘI

ĐA BỘI HOÁ 1 TỰ ĐA BỘI

2 DỊ ĐA BỘI BIẾN DỊ DÒNG SOMA

NHÂN GIỐNG PHÂN PHỐI

TẠO BIẾN DỊ MỚI

DO CÁC CƠ QUAN

VỀ HẠT ĐẢM TRÁCH

Nói đến các hoạt động trong chọn giống thực vật là nói tới việc tạo ra các thay đổi mong muốn trong các kiểu gene của các loài cây trồng và mang lại các lợi ích cho người nông dân Các hoạt động này bao gồm: tạo

ra biến dị, chọn lọc, đánh giá, nhân giống và phân phối (Hình 1.5) Tạo

nguồn biến dị (creation of variation) là nhu cầu thiết yếu cho bất kỳ một

chương trình chọn giống thực vật nào; không thể có sự cải tiến nếu không

có sự biến đổi Sự thuần hoá, thu thập quỹ gene, nhập nội, lai (giữa các giống và lai xa), đột biến, đa bội thể và biến dị dòng soma tất cả đều là các

biện pháp chính cho việc tạo biến dị Sự chọn lọc (selection) là nhằm phân

lập các kiểu gene mong muốn từ hỗn hợp của vô số kiểu gene trong quần thể Chọn lọc phải dựa trên các kiểu hình của thực vật Nói chung, có sự biến thiên sai biệt cao độ giữa các kiểu gene và các kiểu hình của các cây Các quy trình chọn lọc khác nhau lập ra nhằm để vượt qua khó khăn này

và được thiết kế cho các tình huống đặc thù, ví dụ cho các loài tự thụ phấn

và giao phấn v.v Đánh giá (evaluation) liên quan tới việc so sánh hiệu

quả thí nghiệm của các kiểu gene (các dòng) mới được tạo ra với các giống hiện có Công việc này có thể mất vài năm thử nghiệm ở nhiều khu vực để thu được một ước lượng về tính ổn định của các dòng mới Nếu như một dòng mới được tạo ra này là tốt hơn, vượt trội hơn các giống hiện

có thì nó sẽ được phóng thích với tư cách là một giống mới cho trồng trọt đại trà Lợi ích từ giống mới này chỉ có thể thu được khi giống mới được nhân giống và phân phối cho các nhà nông Các chức năng này được tiến hành bởi các cơ quan trung ương có thẩm quyền

y Các mục tiêu của chọn giống thực vật:

Chọn giống cây trồng nhằm mục đích cải thiện các đặc tính của thực vật sao cho chúng ngày càng đáp ứng được hiệu quả mong muốn về mặt nông học và kinh tế Các mục tiêu đặc thù thường sai khác rất lớn tuỳ thuộc vào loại cây trồng được nghiên cứu Dưới đây nêu tóm tắt các mục tiêu chính của chọn giống thực vật (phỏng theo Singh 1986):

(1) Năng suất cao: Hầu hết các chương trình chọn giống nhằm vào

việc tăng năng suất cây trồng Kết quả là đã tạo ra được các kiểu gene có

hiệu quả hơn, ví dụ: các giống lai ở ngô (Zea mays), lúa (O sativa), v.v (2) Chất lượng tốt: Chất lượng của sản phẩm cây trồng xác định sự

phù hợp của nó đối với các nhu cầu sử dụng khác nhau Vì vậy, chất lượng

là một khía cạnh quan trọng đối với các nhà chọn giống thực vật Các tính trạng chất lượng ở các giống khác nhau là khác nhau, ví dụ: kích thước

hạt, màu sắc, chất lượng xay xát ở lúa mỳ (Triticum aestivum); chất lượng nấu nướng ở lúa (O sativa); kích thước, màu sắc và hương vị của quả;

hàm lượng protein ở ngũ cốc và rau đậu; hàm lượng lysine ở ngũ cốc; v.v Thực ra, việc cung cấp các giống mới cho sản lượng cao đôi khi không phải do sự cải tiến đặc thù như khả năng kháng bệnh mà là kết quả của hiệu suất sinh lý cao hơn nói chung Chẳng hạn, từ lâu những nỗ lực nhằm

sản xuất đường từ cây củ cải đường (Beta vulgaris) đã không thành công

chủ yếu bởi vì hàm lượng đường trong các giống sẵn có lúc đó là thấp, nói chung dưới 7% Gần hai thế kỷ sau, các giống mới được tạo ra có khả năng cho hàm lượng đường ổn định ở mức 15-18% (Allard 1976)

(3) Kháng sâu bệnh: Các giống kháng sâu bệnh được coi là rẻ nhất và

phương pháp thông thường nhất được dùng để kiểm soát sâu bệnh Các giống kháng không chỉ gia tăng mà còn ổn định năng suất

(4) Chống chịu các stress vô sinh: Việc tạo ra các giống mới có khả

năng chống chịu các điều kiện bất thuận của ngoại cảnh (như khô hạn, lạnh, úng, mặn ) đã góp phần tăng đáng kể sản lượng lúa gạo ở nước ta

cũng như ở nhiều quốc gia khác

(5) Loại bỏ các chất độc: Một số cây trồng có các chất độc cần phải

loại thải mới đảm bảo an toàn cho việc tiêu dùng Chẳng hạn, hạt của cây

Lathyrus sativus có độc tố hại thần kinh, β-N-oxalylamine alanine

(BOAA) có khả năng gây bại liệt Tương tự, dầu cải Brassica có erucic

acid vốn có hại cho sức khoẻ con người Việc loại bỏ các chất độc như vậy

sẽ làm tăng giá trị dinh dưỡng của các cây trồng này

(6) Thay đổi về thời gian chín: Điều này cho phép luân phiên mùa vụ

mới và mở rộng diện tích cây trồng Việc tạo ra các giống lúa mỳ thích hợp với việc cấy muộn đã cho phép luân phiên lúa gạo-lúa mỳ Như vậy chọn giống cho các giống cây trồng chín sớm, hoặc các giống thích hợp với ngày cấy khác nhau có lẽ là một mục tiêu quan trọng

(7) Các đặc điểm nông học: Việc cải tiến các đặc tính nông học, như

chiều cao cây, khả năng đẻ nhánh, thời gian sinh trưởng, tập tính bò lan hoặc đứng thẳng, khả năng cơ giới hoá khi thu hoạch, bảo quản và chế biến nông sản sau thu hoạch, v.v thường được quan tâm để đáp ứng nhu cầu của sản xuất và người tiêu dùng Ví dụ, dạng thân lùn ở các cây ngũ cốc nói chung gắn liền với khả năng chống đổ và đáp ứng với phân bón; hơn nữa nó cho phép thu hoạch bằng máy rất tiện

(8) Tính ngủ nghỉ (của hạt): Ở một số giống, hạt nẩy mầm thậm chí cả

trước khi thu hoạch nếu như xảy ra mưa vào thời gian chín, ví dụ: đậu

xanh, lúa đại mạch (Hordeum vulgare) v.v Tuy nhiên, ở một số trường

hợp khác, người ta lại mong muốn loại trừ trạng thái ngủ nghỉ

(9) Tính cảm quang: Việc tạo ra các giống lúa mỳ cảm quang và không mẫn cảm với nhiệt độ và các giống lúa (O sativa) cảm quang cho phép

đưa trồng chúng ở các khu vực mới (ví dụ, xem ở mục '10' dưới đây)

(10) Các giống cho các mùa vụ mới: Một trong những đóng góp quan trọng nhất của chọn giống thực vật là tạo ra các giống tốt hơn cho các

vùng nông nghiệp mới Điều này đã được thực hiện bằng cách điều chỉnh

chu kỳ sinh trưởng của giống sao cho phù hợp hơn với mùa vụ sinh trưởng hiện có Chẳng hạn, bằng phương pháp chiếu xạ tia gamma (Co60) liều 10-

15 Krad lên hạt nẩy mầm, vào năm 2000 nhóm nghiên cứu của PGS.TS Nguyễn Minh Công đã chọn tạo được giống lúa "Tám thơm Đột biến" (từ giống lúa đặc sản Tám thơm Hải Hậu của Nam Định), với nhiều đặc điểm độc đáo như: không còn cảm ứng quang chu kỳ như ở giống gốc, có khả năng thích ứng rộng ngay cả với các vùng đất cao, nghèo dinh dưỡng, không chủ động được nguồn nước tưới và năng suất có thể đạt 4-5 tấn/ha, trong khi vẫn giữ được mùi thơm của giống gốc Hơn nữa, đây là giống lúa Tám thơm mới đầu tiên và duy nhất trồng được cả trong vụ xuân Nhờ

vậy góp phần khắc phục được tình trạng khan hiếm gạo Tám thơm trong khoảng tháng 6 đến tháng11 hàng năm (Nguyễn Minh Công và cs 2003)

2 Mối quan hệ giữa khoa học chọn giống với các ngành khoa học khác

Sự hiểu biết về mối quan hệ giữa khoa học chọn giống với các ngành khoa học khác có thể được giải đáp thông qua việc trả lời câu hỏi: Một nhà chọn giống cây trồng cần phải biết những gì? Như đã nói ở trên, để có thể thành công, nhà chọn giống cây trồng cần phải biết tất cả những gì anh ta

có thể biết về đối tượng (các thực vật) mà anh ta đang nghiên cứu Theo

đó anh ta nên có một sự hiểu biết về các lĩnh vực hay môn học sau đây:

(1) Thực vật học (Botany) Một nhà chọn giống cây trồng phải có sự

hiểu biết rành rẽ về hình thái học và sự sinh sản của những cây mà anh ta định cải tiến; và cũng nên làm quen với phân loại học về loại cây đó

(2) Di truyền học (Genetics) Các nguyên lý của di truyền học cung

cấp cơ sở cho các phương pháp chọn giống cây trồng Vì vậy, vốn kiến thức sâu rộng có được về môn học này là rất thiết yếu cho việc cải tiến nhanh và hiệu quả một cây trồng nào đó

(3) Sinh lý học thực vật (Plant Physiology) Sự thích nghi của một

giống được xác định thông qua sự đáp ứng của nó với các nhân tố môi trường như nóng, lạnh, khô hạn, độ mặn v.v Kiến thức cơ sở sinh lý học

về các hiện tượng này sẽ giúp nhà chọn giống trong việc tạo ra các giống chịu lạnh, chịu hạn hay chịu mặn v.v Ngoài ra, một vài phương pháp sinh

lý học dùng để chọn giống cho năng suất cao cũng đã được xác lập

(4) Hoá sinh học thực vật (Plant Biochemistry) Nhiều kiểu thử

nghiệm chất lượng cần thiết cho việc xác định các đặc tính chất lượng của một giống Các thử nghiệm này thông thường có liên quan đến các phân tích sinh hoá, ví dụ như hàm lượng protein, amino acid, đường v.v Hiểu biết về hoá sinh học sẽ giúp ích trong khi tiến hành các thử nghiệm này cũng như phát triển các kỹ thuật để chọn lọc các tính trạng như vậy

(5) Nông học (Agronomy) Một nhà chọn giống giỏi trước hết phải là

một nhà nông học giỏi Anh ta phải có khả năng tạo ra một mùa vụ tốt để chọn lọc và đánh giá vật liệu của mình

(6) Thống kê học (Statistics) Để có được một sự so sánh chính xác về

các quy trình thí nghệm các giống khác nhau, đòi hòi phải có một sự hiểu biết rành rọt về các phương pháp thống kê Nhà chọn giống phải nắm vững kỹ thuật chia lô trên đồng ruộng, thiết kế thí nghiệm và các phép phân tích và thử nghiệm thống kê phù hợp Các nguyên lý thống kê cũng

là chỗ dựa căn bản cho sự hiểu biết về di truyền số lượng

(7) Bệnh học thực vật (Plant Pathology) Chọn giống kháng bệnh là

một mục tiêu quan trọng của chọn giống cây trồng Để chọn giống kháng bệnh có hiệu quả, cần thiết phải có sự hiểu biết về các bệnh thực vật và các nguồn gây bệnh

(8) Côn trùng học (Entomology) Các côn trùng gây hại có thể phá

hoại mùa màng đáng kể Sự hiểu biết về các nạn dịch côn trùng là cần thiết để chọn các giống kháng côn trùng, và để bảo vệ vật liệu chọn giống mẫn cảm khỏi bị dịch bệnh gây hại

(9) Virus học (Bacteriology) Các rau đậu có các nốt sần rễ chứa các vi khuẩn Rhizobium có khả năng cố định nitơ từ khí quyển Hiệu suất của hệ thống này phụ thuộc vào kiểu gene của cả vật chủ lẫn Rhizobium Vì vậy,

hiểu biết về loại vi khuẩn này rất hữu ích trong việc cải tiến cây rau đậu Ngoài những điều nói trên, nhà chọn giống còn phải: (i) Nhạy bén trước các nhu cầu của thị trường, nhu cầu của nhà nông và các vấn đề sản xuất mùa vụ; (ii) Biết nhìn xa vào tương lai để có thể đón nhận các thách thức mà nông dân có thể đương đầu những năm sau đó; và (iii) Lập kế hoạch cho vài năm tới bởi vì phải mất một thời gian dài, thậm chí cả chục năm, để tạo ra và phóng thích một giống mới

Để trở thành một chuyên gia am tường tất cả các lĩnh vực nói trên quả thật rất khó cho một cá nhân Thay vì thế, ngày càng có nhiều tổ hợp hay nhóm nghiên cứu được hình thành Các chuyên gia thuộc các lĩnh vực khác nhau (như di truyền học, bệnh học, côn trùng học và nông học) hợp tác với nhà chọn giống cây trồng trong việc cải tiến giống

Câu hỏi ôn tập

1 Thế nào là giống? Nêu các đặc trưng của khái niệm giống cây trồng và cho một số ví dụ về các giống cây ngũ cốc ở nước ta

2 Hãy giải thích những đóng góp của chọn giống thực vật trong việc cải thiện năng suất nông nghiệp

3 Hãy mô tả ngắn gọn lịch sử chọn giống cây trồng và nêu các đóng góp của các nhà khoa học sau đây trong sự phát triển của ngành chọn giống cây trồng: (i) T Fairchild, (ii) J Koelreuter, (iii) A Knight, (iv) Le Couter và Shireff, (v) Vilmorin, (vi) G Mendel, (vii) Nilsson-Ehle, (viii) W Johannsen, và (ix) G.H Shull

4 Mô tả các mục tiêu khác nhau của chọn giống thực vật và tìm các ví dụ thích hợp cho mỗi mục tiêu

5 Hãy phân tích bản chất của chọn giống cây trồng và mối quan hệ giữa

nó với các môn học khác mà một nhà chọn giống thực vật phải làm quen để tiến hành cải tiến cây trồng có hiệu quả

Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt

Nguyễn Minh Công, PV Ro, ĐH Ất, BH Thuỷ, ĐX Tân, LX Trình, HT Phán 2003 Ứng dụng kết quả của đề tài nghiên cứu khoa học cơ bản cấp Nhà nước thuộc ngành khoa học sự sống mang mã số 4.5.10 và 6.5.10 (giai đoạn 1996-2000) trong chọn tạo các giống lúa chất lượng Trong:

Những vấn đề nghiên cứu cơ bản trong khoa học sự sống Trang: 847-851

Chopra VL (Ed.) 1989 Plant Breeding: Theory and Practice Oxford &

IBH Publishing Co PVT, Ltd

Hayward MD, NO Bosemark, I Ramagosa, Coordinating ed M.C

Cerezo 1994 Plant Breeding: Principles and Prospects 2nd ed Chapman

& Hall, London

IAEA 1995 Induced Mutations and Molecular Techniques for Crop

Improvement (Proceedings of an International Symposium on the Use of

Induced Mutations and Molecular Techniques for Crop Improvement), Joint FAO/ IAEA, 19 - 23 June 1995, IAEA, Vienna, Austria

Khush G.S 1998 "Genetics for sustaining food security in 2020" In:

XVIII th International Congress of Genetics (Abstracts), pp.7-8 August

10-15, 1998, Beijing, China

Singh B.D 1986 Plant Breeding: Principles and methods 2nd edn., Kalyani Publishers, New Delhi - Ludhiana, India

Tan C.C 1998 "Genetics - better life for all" (Presidential address at

opening ceremony), In: XVIII th International Congress of Genetics

(Abstracts), pp.1-6 August 10-15, 1998, Beijing, China

Chương 2

Tạo Vật liệu Khởi đầu trong Chọn giống Thực vật

Như đã đề cập ở chương trước, để có thể tiến hành chọn lọc có hiệu

quả, cần phải tiến hành thu thập hoặc tạo ra các thay đổi đa dạng trong

kiểu gene của đối tượng chọn giống Vì vậy, việc tạo vật liệu khởi đầu

đóng vai trò thiết yếu cho bất kỳ chương trình chọn giống thực vật nào

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu: (i) Vai trò của vật liệu khởi

đầu trong chọn tạo giống; (ii) Nguồn gene thực vật trong chọn giống cây

trồng; và (iii) Sơ lược các nguồn biến dị di truyền trong chọn giống

I Vai trò của vật liệu khởi đầu trong chọn tạo giống

Để cho công tác chọn giống thực vật thành công, trước tiên phải tiến

hành thu thập nguồn vật liệu khởi đầu phong phú và đa dạng trong tự

nhiên hoặc tạo ra các thay đổi đa dạng trong kiểu gene của các loài cây

trồng làm cơ sở cho việc chọn lọc và đánh giá Tạo nguồn biến dị (creation

of variation) là khâu đầu tiên của một quy trình chọn tạo giống Nó đóng

vai trò thiết yếu cho bất kỳ chương trình chọn giống thực vật nào; không

thể có sự chọn lọc hay cải tiến nào nếu như không có biến dị Nguồn biến

dị của vật liệu khởi đầu càng phong phú và đa dạng chừng nào thì sự chọn

lọc và cải tiến càng có cơ may thành công chừng ấy (Hình 2.1)

Vật liệu khởi đầu hay nguồn gene trong chọn giống thực vật là tất cả

các dạng đã được con người tách ra và trồng trọt từ xa xưa hoặc mới được

tạo ra cho đến các loài hoang dại được nhà chọn giống sử dụng để tạo ra

các giống mới bằng các phương pháp chọn giống thích hợp

Sự thành công trong việc tạo ra các giống cây trồng mới phụ thuộc rất

lớn vào mức độ phong phú và đa dạng của nguồn gene thu thập được Bởi

vì từ đó nhà chọn giống mới có thể chọn đúng vật liệu khởi đầu đáp ứng

được mục đích và yêu cầu đề ra Các dạng cây trồng khác nhau ở đây có

thể là các giống địa phương, các giống được thu thập từ nhiều vùng sinh

thái khác nhau, giống nhập nội nhưng cũng có thể là các giống được tạo ra

do quá trình chọn tạo giống phức tạp nào đó Ví dụ: Giống lúa ĐH60 là

giống ngắn ngày có khả năng chịu phèn, chịu nóng ở giai đoạn trỗ bông,

cho năng suất cao trên các vùng đất khó khăn của các tỉnh miền núi phía

Bắc và miền Trung nước ta là kết quả của sự lai tạo giữa giống VN10 của

Việt Nam và giống Norin15 của Nhật Bản

Giống lúa CR203 do Viện bảo vệ thực vật nước ta chọn từ giống nhập nội IR8423-132-6-2-2 có khả năng chống rầy và thích ứng rộng của IRRI (thông qua Chương trình thử nghiệm lúa quốc tế = IRTP)

Hình 2.1 Các kiểu biến đổi đa dạng về hình dạng, kích thước và màu sắc quả

ở các giống cà chua (trái) và ớt (phải)

Trong số các nhóm cây hoang dại được thu thập từ nhiều vùng địa lý khác nhau trên thế giới, người ta rất chú ý đến các đặc tính quý hiếm của các dạng có quan hệ họ hàng gần gũi về mặt phân loại để sử dụng trong

công tác chọn tạo giống Ví dụ, lúa dại Oryza nivara L hoặc Oryza

officinalis L là hai loài lúa dại cùng chi với lúa trồng Oryza sativa L

Chúng có nhiều đặc điểm kháng sâu bệnh, kháng rầy và các điều kiện phèn mặn được sử dụng để lai với lúa trồng nhằm tăng cường các đặc tính

ưu việt đó ở lúa trồng Điển hình là giống lúa IR-8423 do Viện lúa quốc tế

(IRRI) tạo ra có nguồn gene từ lúa dại O nivara L

Để thuận tiện cho quá trình sử dụng các nguồn gene hay vật liệu khởi đầu này trong công tác chọn tạo giống, dựa theo nguồn gốc xuất xứ của chúng, người ta chia thành hai nhóm chính: Vật liệu khởi đầu có nguồn gốc trong nước và vật liệu khởi đầu có nguồn gốc nhập nội Các quần thể trong mỗi nhóm có thể bắt nguồn từ tự nhiên hoặc nhân tạo (Hình 2.2) Trong số vật liệu khởi đầu có nguồn gốc trong nước, quan trọng nhất

là các giống địa phương cổ truyền được hình thành ở mỗi vùng qua thời gian dài nên chúng thích nghi và phát triển tốt ở các vùng đó Chúng thường mang các đặc điểm quý hiếm về mặt chất lượng, tính chống chịu hoặc năng suất Ví dụ, lúa tám thơm Xuân Đài ở Xuân Thuỷ - Hà Nam, cam Xã Đoài, bưởi Đoan Hùng, nhãn lồng Hưng Yên, thanh trà Nguyệt Biều - Huế, v.v Còn các loài nhập nội là những giống được đưa từ các vùng khác nhau trên thế giới đến nhưng vẫn còn giữ được những đặc tính ban đầu của nó Ví dụ, các giống lúa IR-8, IR-64, IR-17494 nhập từ IRRI; hoặc các giống ngô ĐK-888, P-11 nhập từ Thái Lan

Trong chọn giống thực vật có nhiều biện pháp để tạo nguồn vật liệu

khởi đầu hay các biến dị như: Sự thuần hoá (domestication), sưu tập quỹ

gene (germplasm collection), nhập nội (introduction), lai giữa các giống

và lai xa (intervarietal and distant hybridization), gây đột biến bằng các

tác nhân vật lý và hoá học để thu nhận các dạng đột biến (mutant) và đa

bội thể (polyploid), hoặc bằng cách nuôi cấy mô-tế bào, nuôi cấy bao phấn

hoặc noãn để tạo ra các dòng thuần; bằng kỹ thuật di truyền có thể tạo ra các cây chuyển gene mang các gene mong muốn như chịu được thuốc diệt

cỏ, chống được sâu bệnh, hoặc có chất lượng sản phẩm tốt Đó là những vật liệu khởi đầu quý giá cho quá trình chọn tạo giống

II Nguồn gene thực vật trong chọn giống cây trồng

1 Vấn đề phân bố và phân loại nguồn gen thực vật

1.1 Vấn đề phân bố và phân loại nguồn gene thực vật

Giới thực vật vốn rất đa dạng về thành phần loài (khoảng 500.000 loài)

và phân bố khắp nơi trên trái đất Do nguồn gene thực vật rất phong phú

Vật liệu khởi đâu Vật liệu trong nước Vật liệu nhập nội

Vật liệu nhân tạo Vật liệu từ tự nhiên

Các câu hoang dại

Các quần thể địa phương

(do chọn giống cổ truyền) Các dạng lai tạo

Bộ sưu tập giông cây

trồng thế giới

Các dạng đột biến Các dạng đa bội thể Các dạng nuôi cấy mô

Các dạng tạo ra bằng

kỹ thuật di truyền Các dòng tự phối

Hình 2.2 Phân loại các vật liệu khởi đầu.

và đa dạng như vậy cho nên cần có sự phân loại hợp lý nhằm hệ thống hoá

và cung cấp thông tin cho người sử dụng Mặc dù ý niệm về sự phân loại

đã có từ xưa, nhưng thực sự chỉ bắt đầu từ thế kỷ thứ XVIII với hệ thống phân loại của Carl von Linneaus Về sau này, sự phân loại sinh vật nói chung được hoàn thiện thêm nhờ sự phát triển của di truyền học tế bào (cytogenetics) và di truyền học phân tử (molecular genetics) Ngoài ra, để tiện sử dụng trong phạm trù chọn giống, người ta còn phân loại nguồn gene thực vật dựa vào nguồn gốc xuất xứ của chúng (xem Hình 2.2)

 Theo hệ thống phân loại của Linneaus đã được sửa đổi, có các đơn vị phân loại thường dùng (từ trong ngoặc là tiếng Latin), từ lớn đến nhỏ như sau: Ngành (Divisio), Lớp (Classis), Bộ (Ordines), Họ (Familia), Tộc (Tribus), Chi (Genus), Loài (Species), Nhánh (Proles), Thứ (Varietas), Dạng (Forma), và cuối cùng là Cá thể (Individus)

Trong chọn giống thực vật, các nhà nghiên cứu thường dùng các đơn

vị phân loại sau: Họ, chi, loài, thứ, dạng; và khi cần thì thêm họ phụ (subfamilia), loài phụ (subspecies) Ví dụ, cây lúa trồng châu Á thuộc:

Loài: Oryza sativa L

+ Loài phụ: O sativa L ssp Indica (loài phụ Ấn Độ)

+ Thứ: O sativa L var mutica (hạt dài, thẳng và không râu; vỏ

trấu màu vàng rơm; gạo trắng) + Dạng: Elongatum (cây cao, lóng dài)

Bảng 2.1: Số lượng nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) của một số loài cây trồng

thường gặp

Loài cây trồng 2n Loài cây trồng 2n

Lúa (Oryza sativa) 24 Dưa chuột (Cucumis sativus) 14

Ngô (Zea mays) 20 Dưa hấu (Citrullus vulgaris) 22

Cao lương (Shorghum vulgare) 20 Hành tây (Allium sativa) 16

Kê (Setaria italica) 18 Ớt (Capcium anuum) 24

Khoai tây (Solanum tuberosum) 48 Bắp cải (Brassica oleracea) 18

Đậu Hà Lan (Pisum sativum) 14 Bí ngô (Cucurbita maxima) 48

Đậu tương (Glycine hyspida) 38 Cà chua (L esculentum) 24

Đậu côve (Phaseolus vulgaris) 22 Khoai lang (Ipomea batatas) 90

Đậu phộng (Arachis hypogea) 40 Bông luồi (Gossypium hirsutum) 52

Vừng (Sasamum indicum) 52 Thuốc lá (Nicotiana tabacum) 48

Với hệ thống phân loại này, các đơn vị phân loại dưới loài có quan hệ

với nhau rất chặt chẽ; và trên cơ sở đó người ta phân biệt lai gần (lai trong cùng loài) và lai xa (lai giữa các loài hoặc giữa các chi khác nhau)

 Mỗi loài cây trồng hay thực vật nói chung có một số lượng nhiễm sắc thể đặc trưng (Bảng 2.1)

Dưới đây ta hãy tìm hiểu sơ lược về nguồn gốc, sự phân loại và phân

bố của Chi Oryza nói chung, và của lúa trồng châu Á nói riêng

Theo Watanabe (1997), do tính đa dạng và phức tạp về mặt hình thái

và di truyền của chi Oryza đã gây khó khăn trong việc phân loại và đặt tên các loài thuộc chi này Chi Oryza có khoảng 20 loài hoang dại phân bố ở các vùng nhiệt đới và á nhiệt đới, và chỉ có hai loài lúa trồng là: O sativa

L (trồng ở châu Á và nhiều vùng khác khắp địa cầu) và O glaberrima

Steud (chỉ trồng ở một số quốc gia Tây Phi)

Về nguồn gốc của lúa trồng và sự tiến hoá của chúng, đến nay có nhiều giả thuyết khác nhau Tuy nhiên, theo Oka (1991) và Oka và

Morishima (1997), tổ tiên của O sativa là loài O perennis Châu Á và của

O glaberrima là O breviligulata Hai loài này tiến hoá độc lập nhau mà

tổ tiên của chúng còn chưa được xác định

Về nguồn gốc cây lúa trồng châu Á cũng có nhiều quan điểm khác nhau Matsuo (1997) đã nêu lên bốn giả thuyết về nguồn gốc của lúa trồng

Ấn Độ, Trung Quốc, các vùng núi ở Đông Nam Á và phạm vi rộng lớn với các nguồn gốc đa chủng loại Tuy nhiên, hiện giờ người ta tin rằng các khu vực miền núi ở Đông Nam Á rất có thể là nguồn gốc của lúa trồng Kết luận này ủng hộ học thuyết của Morinaga năm 1967 cho rằng lúa trồng xuất phát từ phía Đông Nam chân núi Hymalaya Điều này đã được

GS Bùi Huy Đáp đề cập từ năm 1964: Việt Nam là một trong những trung tâm sớm nhất của Đông Nam Á được nhiều nhà khoa học gọi là quê hương của cây lúa trồng; nó xuất hiện cách đây chừng 10 - 12 nghìn năm cùng với nền văn hoá Hoà Bình (Bùi Huy Đáp, 1999)

Sự phân loại các giống lúa trồng thuộc loài O sativa dựa trên hai cơ sở

chính: (i) độ hữu thụ của các cây lai F1, và (ii) các đặc điểm hình thái, sinh

lý và sinh thái Chẳng hạn, dựa vào độ hữu thụ của các cây lai F1, lần đầu tiên năm 1928 Kato và cs đã phân biệt O sativa thành hai loài phụ

(subspecies), còn gọi là kiểu (type) hay nhóm giống (group): kiểu Indica

và kiểu Japonica Việc khảo sát sự phân bố địa lý của hai loài phụ này cho thấy các giống lúa địa phương ở Nhật, Bắc Triều Tiên và Bắc Trung Quốc đều thuộc loài phụ Japonica Trái lại, các giống lúa địa phương Ấn Độ, Java, Nam Trung Quốc và Đài Loan thuộc loài phụ Indica Các kết quả

nghiên cứu của Terao và Mizushima năm 1943 và Morinaga năm 1953 phát hiện sự tồn tại của một kiểu trung gian không thuộc Indica và Japonica và đặt tên là kiểu Javanica, vì các giống nghiên cứu này hầu hết bắt nguồn từ Java, tức Indonesia (Kushibuchi 1997; Watanabe 1997) Năm 1952, Matsuo lấy hình thái học làm cơ sở chính để phân loại các giống lúa trên thế giới và đã phân chia 3 kiểu A, B và C Trong đó, kiểu A (Japonica) hầu như chỉ trồng ở Nhật, Bắc Triều Tiên và Bắc Trung Quốc; kiểu B (Javanica) phân bố chủ yếu ở Indonesia và các quần đảo Thái Bình Dương; và kiểu C (Indica) hầu hết được trồng ở Ấn Độ, Nam Trung Quốc

và các nước Đông Nam Á

Ở nước ta, các kết quả phân loại loài phụ các giống lúa của các vùng khác nhau cho thấy quỹ gene lúa gồm 89% lúa Indica, 9,5% lúa Japonica

và 1,5% chưa phân loại được (Luu Ngoc Trinh và cs, 1998) Phần lớn giống lúa ở vùng Tây Bắc nước ta là lúa Japonica (Chaudhary, 2000) 1.2 Các trung tâm phát sinh cây trồng (Centres of origin)

Các thực vật có hoa đầu tiên xuất hiện cách đây chừng 150 triệu năm Nhờ áp dụng chọn lọc nhân tạo mạnh mẽ mà các thực vật từ tự nhiên đã chuyển sang thích nghi với chế độ canh tác với tư cách là các dạng cây trồng Kết quả là tính biến dị di truyền của các cây trồng đã giảm đi nhiều

Có bằng chứng đáng kể cho thấy rằng các cây trồng đã không được phân bố một cách đồng bộ trên khắp thế giới Thật vậy, dựa trên khối lượng khổng lồ vật liệu thu thập được từ nhiều vùng khác nhau trên thế giới trong suốt 20 năm kể từ năm 1916, nhà di truyền học người Nga

Nicolai Ivanovich Vavilov (1887-1943; Hình 2.3) đã xây dựng nên học

thuyết về các trung tâm phát sinh cây trồng (Centers of origin of

cultivated plants; Hình 2.4)

N.I Vavilov cho rằng các cây trồng tiến

hoá từ các loài hoang dại trong các khu vực này

cho thấy tính đa dạng lớn hơn và ông gọi đó là

các trung tâm phát sinh sơ cấp Sau đó, các cây

trồng này dịch chuyển sang các khu vực khác

chủ yếu do các hoạt động của con người; và tại

các khu vực này nói chung không có sự biến đổi

phong phú và đa dạng như ở các trung tâm khởi

phát Nhưng ở một số khu vực, các loài cây

trồng nào đó lại cho thấy sự đa dạng đáng kể về

các dạng hình mặc dù chúng không bắt nguồn ở

đó Những khu vực như vậy được gọi là các

trung tâm phát sinh thứ cấp của các loài này

Hình 2.3 N.I Vavilov

Vavilov đề nghị 8 trung tâm phát sinh cây trồng chính trên thế giới là: Trung Quốc, Ấn Độ, Trung Á, Tiểu Á, Địa Trung Hải, Abyssinia, Trung

Mỹ và Nam Mỹ Về sau P.M Zukovsky đã bổ sung và phát triển các trung tâm của Vavilov thành 12 trung tâm phát sinh tất cả các cây trồng trên thế giới, được tóm tắt như sau (theo Nguyễn Văn Hiển, chủ biên 2000):

Trung tâm Trung Quốc - Nhật Bản: Đây là trung tâm lớn nhất, chứa

đựng một khối lượng khổng lồ các biến chủng của 140 loài cây trồng khác nhau, trong đó có mặt hầu hết các loài cây trồng quan trọng nhất, như: lúa

gạo (O sativa L., loài phụ Japonica), đậu tương, kê, cây cải, ngô nếp, các loài cam quýt thuộc chi Citrus, táo, lạc (đậu phộng), vừng (mè), sâm, cao

lương, cây thuốc phiện; đây cũng là quê hương của các cây chè, đay, gai, cải dầu v.v

Trung tâm Đông dương - Indonesia: Đây là trung tâm phát sinh lúa

nước (các loài phụ Indica và Javanica); và là quê hương của nhiều loài cây

ăn quả nhiệt đới như: chuối, dứa, xoài, dừa, sầu riêng, mămng cụt, chôm chôm, mít, mãng cầu v.v

Trung tâm Australia: Tại đây tìm thấy 500 trong số 605 loài cây có dầu nhiệt đới, 21 loài thuốc lá, 3 loài thuộc chi Oryza; và là trung tâm đầu tiên của loài bông Hải đảo (Gossypium barbadense L.)

Trung tâm Nam Á (chủ yếu là Ấn Độ): Đây là một trong những trung

tâm đóng vai trò lớn trong lịch sử trồng trọt của thế giới, quê hương tổ tiên của lúa trồng (loài phụ Indica) và mía Đây cũng là nơi phát sinh của các cây vừng, gai, cao lương, bạc hà, hồ tiêu và nhiều loại cây thuốc và cây rau khác

Trung tâm Trung Á (bao gồm vùng Tây bắc Ấn Độ, Afghanistan,

Uzhbekistan, tây Thiên Tân): Là nơi phát sinh lúa mỳ mềm, đậu Hà Lan, đậu ngựa, đậu mỏ két, hành tây, dưa bở, táo, lê, nho, anh đào

Trung tâm Tây Á (vùng Cận Đông, gồm một vùng lãnh thổ rộng lớn

của các tiểu vương quốc Ả Rập thống nhất, Iran, Iraq, Capcas, vùng thượng Turmenia, bán đảo Ả Rập): Là trung tâm phát sinh lúa mỳ (chi

Triticum), mạch đen (chi Secale), đại mạch (chi Hordeum), các cây cỏ

dùng làm thức ăn cho gia súc như: cỏ linh lăng (Medicago sativa), cỏ ba lá (Trifolium sp.), táo (Malus sp.), và nho

Trung tâm Địa Trung Hải (Mediterranean): Đây là trung tâm phát

sinh lúa mỳ cứng, củ cải đường, bắp cải; và là trung tâm thứ cấp của nho, táo, cà rốt, đậu Hà Lan, đậu côve

Trung tâm châu Phi: Đây là trung tâm chính của đại mạch, đậu xanh,

lạc; và là quê hương của các cây cà phê, ca cao, cao lương, bông châu Phi,

thầu dầu, lúa nước châu Phi (O glaberrima)

Trung tâm Âu - Siberia: Đây là trung tâm phát sinh các cây củ cải

đường, bắp cải, nho, lê, mận, anh đào, dâu tây, cỏ ba lá, cây hoa bia

Trung tâm Trung Mỹ (Mexico, Goatemala, Hondurat và Panama):

Đây là nơi phát sinh của cây ngô (Zea mays), của nhiều loài cây thuộc bộ đậu (Fabales) và chi Solanum, với rất nhiều loài khoai tây dại và khoai tây trồng (S tuberosum); Đây cũng là quê hương của các cây thuộc họ bầu bí,

ca cao, bông luồi (G hirsutum) và thuốc lá

Trung tâm Nam Mỹ: Đây là nơi phát sinh cây bông Ai cập, khoai tây

và ngô; và là quê hương của các cây cà chua, hướng dương, lạc, ớt, bầu bí, dưa, ca cao, cao su và cà phê

Trung tâm Bắc Mỹ: Đây là nơi phát sinh các cây dâu tây, khoai tây,

thuốc lá, nho, bông, hướng dương châu Mỹ, táo, mận đào v.v

Hình 2.4 Các Trung tâm của Vavilov về nguồn gốc phát sinh các giống cây

trồng trên thế giới (theo Hartlan 1976)

Quan điểm này của Vavilov được nhiều nhà khoa học trên thế giới thừa nhận và nó giúp cho các nhà chọn giống định hướng đúng trong việc tìm kiếm và thu thập nguồn gene mong muốn trong tự nhiên để đáp ứng được yêu cầu của chương trình chọn tạo giống đặt ra Chẳng hạn, để có thể

thu thập nhiều dạng lúa hoang dại thì đến Đông Nam Á vì đây là cái nôi phát sinh của lúa trồng Tương tự, nếu muốn thu được nhiều dạng ngô và khoai tây hoang dại thì đến Mexico và một phần Bắc Mỹ Bằng cách đó các nhà chọn giống Mỹ đã phát hiện được dạng lúa mỳ hoang dại có khả năng kháng bệnh rỉ sắt ở Ethiopia (thuộc trung tâm phát sinh của lúa mỳ

Triticum aestivum)

Mặt khác, từ quy luật về dãy biến dị tương đồng (law of homologous

series in variation) của Vavilov cho thấy rằng các loài có quan hệ họ hàng gần với các loài hoang dại là nguồn cung cấp các biến dị di truyền tuyệt vời cho chọn lọc và cải tiến giống cây trồng Vì vậy, mong muốn hiện nay

là thu thập và bảo quản các hạt giống từ các giống cây trồng chất lượng cao, các dòng đột biến và cả các loài hoang dại có quan hệ họ hàng

J.R Harlan, trong một chuyến du hành khảo sát thực vật tại Thổ Nhĩ

Kỳ (Turkey) vào năm 1948, đã bị ấn tượng với sự đa dạng cực kỳ phát

hiện ở các khu vực nhỏ Các khu vực này được Harlan gọi là các tiểu

trung tâm (micrconters) vì sự tiến hoá thực vật ở các tiểu trung tâm này

dường như diễn tiến ở tốc độ nhanh hơn các khu vực khác, đặc biệt là ở các vùng địa lý rộng lớn hơn Các tiểu trung tâm này dường như cung cấp một cơ hội tuyệt vời, không chỉ để thu thập các kiểu có sẵn, mà còn để nghiên cứu sự tiến hoá của các kiểu cây trồng về mặt thực nghiệm Hơn nữa, khi thảo luận về biến dị tự nhiên ở thực vật, Harlan đã chỉ rõ các trung tâm địa lý về tính đa dạng di truyền của các nguồn gene mà chúng ta dựa vào đang có nguy cơ bị tuyệt chủng (Harlan 1976)

Từ đó cho thấy nhu cầu cấp bách của việc xây dựng, bảo quản và sử dụng các nguồn gene trong chọn giống cây trồng, cũng như vấn đề bảo vệ thiên nhiên và không ngừng làm phong phú thêm tính đa dạng của nó

2 Bảo quản và sử dụng nguồn gene thực vật trong chọn giống

2.1 Thành lập quỹ gene và bảo quản nguồn gene cây trồng

Như đã nói ở trên, khâu đầu tiên trong chọn giống là thu thập các vật liệu có sắn trong tự nhiên hoặc các giống địa phương từ nhiều vùng miền khác nhau, kể cả các giống nhập nội để xây dựng nên bộ sưu tập giống gọi

là sưu tập quỹ gene (germplasm collection) hay các ngân quỹ gene

(germplasm banks) Bởi theo quan điểm của di truyền học và chọn giống thì mọi nguồn gene có sẵn trong tự nhiên hoặc các giống địa phương thường có chứa các gene quý hiếm như chống chịu sâu bệnh và các điều kiện khắc nghiệt của môi trường sinh thái mà chúng sinh sống lâu đời; hoặc các giống đặc sản truyền thống thường cho sản phẩm có chất lượng

và hương thơm đặc biệt Đó là tài sản vô giá mà thiên nhiên đã ban tặng

cho loài người để duy trì sự sống của họ

Hình 2.5 Trung tâm tài nguyên di truyền tại IRRI là trung tâm lớn mạnh nhất về

bảo tồn và sử dụng tính đa dạng sinh học của cây lúa (Nguồn: IRRI)

Hơn nữa, trước tình trạng đô thị hoá các khu vực nông thôn diễn ra nhanh chóng và áp lực gia tăng mạnh mẽ của dân số thế giới buộc các nhà chọn giống phải không ngừng tạo ra các giống cây trồng có năng suất ngày một cao hơn, kéo theo sự thay đổi cơ cấu cây trồng nông nghiệp theo hướng tập trung vào chỉ một vài giống cho năng suất cao đồng thời thu hẹp phổ gene của cây trồng Tất cả điều đó dẫn tới nguy cơ xói mòn tài nguyên di truyền, đánh mất các giống đặc sản địa phương lâu đời và tạo ra một nền nông nghiệp phát triển không bền vững Việc bảo tồn nguồn gene

vì vậy được xem là nền tảng quan trọng cho sự ổn định của nông nghiệp

và sự an toàn lương thực-thực phẩm của toàn thể nhân loại Đó không chỉ

là công việc của từng quốc gia mà còn là của các tổ chức quốc tế Đặc biệt, Tổ chức lương-nông (FAO) của Liên Hiệp Quốc (UN) đã rất chú ý đến vấn đề này và có các hoạt động thiết thực nhằm kết nối các Viện nghiên cứu các cây trồng quan trọng như lúa, lúa mỳ, ngô, v.v thành một mạng lưới hỗ trợ lẫn nhau, để có thể duy trì và phát triển nguồn gene cây trồng trên phạm vi toàn cầu

Một số trung tâm lưu trữ và sử dụng nguồn gene thực vật nổi tiếng trên thế giới như: Trung tâm tài nguyên di truyền thực vật quốc tế (IBPGR), Trung tâm nguồn di truyền - Viện lúa quốc tế (IRRI; Hình 2.5), Trung tâm tài nguyên di truyền quốc gia New Dehli - Ấn Độ, Viện nghiên cứu cây trồng mang tên Vavilov - Liên bang Nga (VIR), Viện cây trồng Bắc Kinh

- Trung Quốc, Viện tài nguyên sinh học quốc gia Nhật Bản, v.v

Nhiệm vụ của các trung tâm này là thu thập, mô tả, phân loại, đánh giá

và bảo quản tất cả các loài cây trồng và các tổ tiên hoang dại của chúng

theo cả hai phương thức: bảo quản ex situ (bảo quản trong các điều kiện nhân tạo như phòng thí nghiệm, vườn ươm ) và bảo quản in situ (bảo

quản tại chỗ, trong các điều kiện tự nhiên vốn có của sinh vật) Tất cả thông tin liên quan các mẩu giống bảo quản được lưu trữ dưới dạng các hồ

sơ, ấn phẩm với sự trợ giúp của máy tính Nhờ đó các nhà chọn giống có thể dễ dàng tra cứu và yêu cầu cung cấp vật liệu cần thiết cho một chương trình chọn giống cụ thể

Gần đây, Trung tâm tài nguyên di truyền thực vật quốc tế (International Board for Plant Genetic Resources = IBPGR) đã phân tích đánh giá được 2 triệu mẩu thuộc 9 loại cây trồng quan trọng về các đặc tính sinh học; IRRI đánh giá được 85.000 mẩu; Trung Quốc - 65.000 mẩu lúa, trong đó có 46.887 mẩu địa phương, 2.443 mẩu vừa được cải tiến, 1.039 chủng lai, 6.388 mẩu nhập nội (Trần Duy Quý, 1997)

Việt Nam nằm trong bán đảo Đông Dương, giữa quần đảo Malaysia và nam Trung Quốc - một trong những trung tâm phát sinh các giống cây trồng Do điều kiện địa lý và khí hậu tự nhiên đặc trưng đó mà khu hệ thực vật nước ta nói chung và hệ cây trồng nói riêng rất phong phú về loài và

đa dạng về thứ và kiểu gene Mặt khác, nước ta cũng là nơi thuận lợi để trồng các loài cây nhập nội, đặc biệt là các cây trồng có nguồn gốc từ nam Trung Quốc và nam Ấn Độ

Các thông báo gần đây từ Trung tâm Tài nguyên Di truyền Thực vật - Viện KHKT Nông nghiệp Việt Nam cho thấy: các giống lúa ở miền Bắc

và cao nguyên Trung Bộ nước ta có chỉ số đa dạng di truyền cao nhất; kế đến là vùng Duyên hải miền Trung và thấp nhất là đồng bằng Sông Cửu Long (Lưu Ngọc Trình, 1995; Đào Thế Tuấn và cs, 1998)

2.2 Sử dụng nguồn gene thực vật trong chọn giống

Cho đến nay, trên khắp thế giới có hơn 700 ngân hàng quỹ gene được đưa vào hoạt động với hơn 25 triệu mục giới thiệu các loài trồng trọt và hoang dại đã được lập danh mục Các bộ sưu tập này được sử dụng để làm giàu thêm các nguồn gene xác định các tính trạng mong muốn

2.2.1 Sử dụng các giống địa phương

Do các giống địa phương được hình thành từ quá trình chọn lọc tự nhiên và nhân tạo lâu dài trong điều kiện địa phương, nên có các đặc điểm

cơ bản là: (i) thích nghi cao với điều kiện địa phương; (ii) có tính chống chịu cao đối với một số sâu bệnh và điều kiện ngoại cảnh bất thuận; và (iii) là một quần thể phức tạp gồm nhiều dạng tồn tại trong một trạng thái

cân bằng quần thể; chúng có các phản ứng khác nhau với các điều kiện của ngoại cảnh và do đó thường cho năng suất ổn định trong sự biến động của các điều kiện sinh thái địa phương

Các giống địa phương có các đặc tính tốt có thể được dùng để: (i) Trực tiếp chọn ra các dạng tốt nhất, phù hợp với kiểu địa lý sinh thái và gây thành giống mới (ii) Tiến hành các tổ hợp lai giữa các giống khác nhau nhằm kết hợp các tính trạng tốt vào một giống mới (iii) Cải tiến một vài tính trạng mong muốn nhờ phương pháp gây đột biến Ví dụ, từ giống lúa đặc sản Tám thơm Hải Hậu của Nam Định, bằng phương pháp chiếu xạ tia gamma (Co60) lên hạt nẩy mầm, đã chọn tạo được giống lúa "Tám thơm Đột biến", với nhiều đặc điểm độc đáo như: không còn cảm ứng quang chu kỳ như ở giống gốc, có khả năng thích ứng rộng ngay cả với các vùng đất cao, nghèo dinh dưỡng, không chủ động được nguồn nước tưới và năng suất có thể đạt 4-5 tấn/ha, trong khi vẫn giữ được mùi thơm của giống gốc (Nguyễn Minh Công và cs 2003)

2.2.2 Sử dụng các tập đoàn giống cây trồng thế giới

Do đây là những bộ sưu tập quỹ gene quý hiếm và đa dạng được tập hợp từ các vùng khác nhau trên thế giới, nên chúng có thể đáp ứng được hầu hết các mục tiêu của các chương trình chọn giống (như chọn lọc, lai tạo, gây đột biến )

Hình 2.6 Một giống lúa bán lùn cho năng suất cao gọi là IR-8 (trái), một phần của cuộc cách mạng xanh lần thứ hai, đã được tạo ra bằng cách lai giữa hai dòng bố mẹ: PETA từ Indonesia (giữa) và DGWG từ Trung Quốc (phải) Cây thấp và cứng hơn của giống lúa mới này cho phép chống đổ tốt và có khả năng mang các bông lớn trĩu hạt mà không bị oằn xuống (Nguồn: IRRI)

Có thể thấy rõ thành quả của các "cuộc cách mạng xanh" (green revolution) đối với lúa mỳ và lúa nước trong những năm 1960 và 1970 chính là nhờ khai thác sử dụng tập đoàn giống cây trồng thế giới Chẳng hạn, nhờ sử dụng gene lùn của hai giống lúa địa phương Dee-geo-woo-gen (DGWG) và Taichung Native-1 của Đài Loan thông qua hàng loạt tổ hợp lai đã tạo ra được các giống lùn (dwarf) và bán lùn (semi-dwarf), như: IR-

8, IR-64, v.v Các giống lúa này đã tạo nên bước phát triển nhảy vọt về năng suất và sản lượng lúa châu Á (Hình 2.6) Ở nước ta, việc sử dụng giống lúa IR-8 (NN8) đã mở đầu cho kỷ nguyên ứng dụng thành quả của cuộc cách mạng xanh lần thứ hai Tương tự, giống lúa CR203 do Viện bảo

vệ thực vật nước ta chọn được bắt nguồn từ giống nhập nội 2-2 là giống có khả năng chống rầy và thích ứng rộng bắt nguồn từ IRRI (thông qua Chương trình thử nghiệm lúa quốc tế)

IR8423-132-6-2.2.3 Sử dụng các dạng cây hoang dại

Chẳng hạn, 'Purple Petrowski' là loại lúa dại mới nhất (Hình 2.7) được biết là có khả năng chống rụng hạt và chống đổ cao, cho năng suất cao và kháng bệnh nấm ở mức trung bình Lúa dại vốn là loại cây cỏ ở nước rất được ưa chuộng bởi những người Mỹ bản xứ (Native Americans) ở Lake States, New England, và Canada Vào những năm 1950 các nhà khoa học Đại học Minnesota bắt đầu nghiên cứu hàng trăm loại cây trồng biến đổi,

kể cả lúa dại Vào thời gian đó, các nông dân ở vùng bắc Minnesota bắt đầu hình thành một kỹ nghệ trồng lúa dại để đáp ứng lại nhu cầu gia tăng

Hình 2.7 Lúa dại (trái) và lúa trồng (phải)

Các mục tiêu của chương trình chọn giống lúa dại ở đây là nhằm phát triển: (i)) Khả năng chống đổ hơn nữa; (ii) tính chín sớm; (iii) sức kháng các bệnh thuộc về lá; (iv) khả năng chống rụng hạt cao hơn; (v) nhiều nhánh trưởng thành cùng nhau; và (vi) hạt có thể bảo quản khô

Thách thức đã đặt ra cho các nhà nghiên cứu lúc đó là làm sao trồng lúa dại phù hợp cho việc sản xuất thóc Có những hạn chế trong việc cấy,

chăm sóc, và thu hoạch một loài lúa nước Khi chín, hạt rụng cắm xuống nước và thời gian chín các cây là không đồng đều, gây khó khăn cho việc thu hoạch Ngoài ra, hạt không thể sống được trừ phi nó được bảo quản trong các điều kiện giống như ở đáy đầm lầy

Tuy nhiên, vào năm1964 việc chọn lọc lúa trồng đã thành công ở St Paul Kể từ đó, đã phân lập ra chín giống lúa thóc dại, mỗi giống đều có năng suất hoặc các đặc tính kháng bệnh được cải thiện đáng kể Ngày nay, những người Mỹ bản xứ thu hoạch bằng tay lúa dại bằng các phương pháp truyền thống Các giống của Đại học Minnesota được trồng bởi những nhà sản xuất thóc thương mại thì việc thu hoạch được tiến hành bằng các tổ hợp máy móc đặc biệt Hàng năm Minnesota sản xuất hơn 6 triệu pounds lúa dại "trồng lấy thóc", và phần lớn được xử lý để tung ra thị trường cùng với lúa gạo

Thật thú vị là, việc phân tích DNA gần đây cho thấy lúa gạo và lúa dại

có tổ tiên chung, ngược với suy nghĩ trước đây cho rằng các loài này tiến hoá tách biệt nhau ở châu Á và Bắc Mỹ Việc phân tích biến đổi di truyền được phát hiện bằng các marker phân tử (molecular markers), việc xây dựng các bản đồ liên kết ở mức phân tử, và lập bản đồ các gene hữu ích như các gene lùn và các locus tính trạng số lượng (quantitative trait loci = QTLs) được thực hiện ở lúa và đậu azuki Ngoài ra, cải tiến việc sản xuất đơn bội bằng sự nuôi cấy bao phấn và hạt phấn, việc đưa vào các loài cây trồng tính chịu sương giá, kháng virus và kháng côn trùng từ các loài hoang dại bằng lai soma được nghiên cứu ở lúa, khoai tây và đậu azuki Chẳng hạn, các dòng lúa lai được phát triển ở Trung Quốc là trong số các giống lúa có năng suất cao nhất trên thế giới Tuy nhiên, hai locus tính trạng số lượng (QTL) được khám phá gần đây ở lúa dại năng suất thấp được kỳ vọng là có thể nâng cao năng suất của lúa lai lên khoảng 17% với mỗi gene QTL được đưa vào (Tan, 1998)

Giống khoai tây Cameraz cho năng suất cao, chống được bệnh mốc

sương (Phytothora infestans) là kết quả của sự lai xa giữa khoai tây dại

Solanum demissum với giống khoai tây trồng S tuberosum (Hình 2.8)

2.2.4 Sử dụng quần thể các dòng tự phối

Thông thường các dòng tự phối (được tạo ra do tự thụ phấn hoặc giao phối gần) nên sức sống của các dòng này suy giảm so với dạng ban đầu Tuy nhiên, chúng có thể được sử dụng như là nguồn vật liệu khởi đầu để tạo ra các giống có biểu hiện ưu thế lai cao ở F1 (bằng cách lai khác dòng đơn, khác dòng kép ) Chúng cũng có thể được dùng để tạo ra các giống hỗn hợp và các giống tổng hợp nhằm sử dụng ưu thế lai nhiều đời, hoặc sử

dụng trong lai tích luỹ nhằm tạo ra các dòng có các tính trạng đặc biệt như các dòng bất dục đực tương đương hoặc các dòng phục hồi (chương 4)

Hình 2.8 Một cây lai soma (hình giữa) giữa khoai tây trồng (hình trái) và loài hoang dại (hình phải)

Vấn đề sử dụng quần thể các dạng đột biến và đa bội cũng như các dạng biến đổi được tạo ra từ nuôi cấy mô-tế bào và bằng kỹ thuật di truyền

sẽ được xem xét ở mục III dưới đây

III Sơ lược các nguồn biến dị di truyền trong chọn giống thực vật

3.1 Các thể đột biến thực nghiệm

Đó là các đột biến có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các tác nhân vật lý (như tia X, tia tử ngoại hay tia phóng xạ nói chung) hoặc các hoá chất gây đột biến (NMU, ES, ) Thông thường một biến đổi như vậy có liên quan đến một gene đơn Hầu hết các đột biến là có hại, nhưng đôi khi một vài thể đột biến nào đó lại tỏ ra có lợi Thể đột biến này có thể được

sử dụng trực tiếp để gây thành một giống mới, áp dụng phổ biến trong trồng trọt là các giống táo hoặc các cây ăn quả khác, các giống ngũ cốc như lúa, ngô, v.v Ví dụ, giống ngô DT6 và các giống lúa DT1, DT10

do Viện di truyền Nông nghiệp tạo ra hoặc các giống lúa Tám thơm đột biến, Tép hành đột biến và Tài nguyên đột biến do nhóm nghiên cứu sinh của trường ĐHSP Hà Nội tạo ra đều được tiến hành bằng con đường này Các tính trạng mới này có thể được kết hợp bổ sung vào các giống hiện có thông qua lai và lai ngược Ví dụ, các giống lúa DT-10, DT-11, DT-17 v.v

3.2 Các thể đột biến đơn bội và đa bội

Đây là các dạng đột biến có liên quan tới sự thay đổi toàn bộ số lượng

nhiễm sắc thể Việc tăng gấp đôi số lượng nhiễm sắc thể là một kỹ thuật chọn giống thực vật khác tỏ ra hữu ích trong việc cải tiến một số cây hoa

và cây trồng đa bội Các dạng đa bội thể tạo ra thường tăng sức sống và có

lá, hoa và quả lớn hơn bình thường Hoá chất colchicine - một alkaloid

được chiết xuất từ cây nghệ tây (Crocus) - tỏ ra hữu ích cho mục đích này

3.3 Các biến dị tổ hợp từ lai hữu tính

Các cá thể trong một loài có sự sai khác nhau rất lớn về các đặc điểm Nhiều tính trạng trong số đó có thể truyền lại cho con cháu của chúng Bằng phương pháp chọn lọc cá thể, các nhà chọn giống thực vật có thể chọn đi chọn lại về tính trạng mong muốn nào đó qua các thế hệ liên tiếp, làm dịch chuyển quần thể theo hướng mong muốn Bên cạnh đó, các nhà

chọn giống thường sử dụng phương pháp lai đối với các cây giao phấn thuộc các dòng hay các kiểu khác nhau để hợp nhất các tính trạng mong muốn của cả hai bố mẹ vào đời con của chúng Tuy nhiên, các tính trạng không mong muốn cũng đi vào các tổ hợp gene đó, vì vậy phải tiến hành chọn lọc ngay sau quá trình lai qua nhiều thế hệ

Đặc biệt, khi lai khác dòng thường tạo ra các con lai có ưu thế cao hơn

hẳn bố mẹ Hiện tượng này được gọi là ưu thế lai (hybrid vigor, hay

heterosis) và đã được ứng dụng rộng rãi bởi các nhà chọn giống thực vật

để tăng năng suất cây trồng Các giống ngô lai được tạo ra đã góp phần tăng gấp đôi năng suất ngô ở Mỹ trong những năm 1940, và hầu như tất cả các giống ngô hiện giờ trồng ở Mỹ và châu Âu đều bắt nguồn từ các hạt lai F1 được sản xuất hàng năm Chọn giống lai đã mở rộng trong những năm gần đây, và các giống lai ngày nay phổ biến là ở các cây cho hạt (ngô,

kê, lúa), các loại rau màu (bắp cải, cà chua, bầu bí), và nhiều loài hoa 3.4 Các biến dị soma

Hình 2.10 Các bông chét của thể đột biến bất dục cái thu được A Vi ảnh quét điện tử của một bông chét cho thấy một nhuỵ không có đầu nhuỵ và vòi nhuỵ B Phần bông chét có vỏ trấu dài, mày ngắn (p) và hai bầu C Phần bông chét có nhiều hơn hai bầu D Một bông bất dục cái (trái) và một bông bình thường (phải) của dòng biến dị soma 164 (Nguồn: Ling và cs, 1989)

Chẳng hạn, Ling và cs (1989) thông báo một thể đột biến bất dục cái (164V) phát hiện được trong số 140 cây R3 thu được từ một dòng soma thuộc giống lúa IR50 Chúng có các đặc điểm chính như: (1) nhuỵ thiếu mất đầu nhuỵ và vòi nhuỵ và chỉ có một bầu noãn (Hình 2.10A) Một số bầu có một túi phôi, nhưng các bầu khác thì thiếu hẳn các tế bào nhu mô Các bầu mất hẳn chức năng và cây đột biến này không có hạt (Hình 2.10D) (2) Các bao phấn thoái hoá ở các mức độ khác nhau Trong khoảng 1/4 số bông chét của một bông, tất cả các bao phấn đều thoái hoá

và số lượng tối đa các bao phấn trên mỗi bông chét là bốn (3) Ở các bông chét này, mày ngoài phát triển vượt trội trong khi mài trong phát triển dưới

mức và trở thành một mẩu nhỏ (Hình 2.10B) Một số bông chét có hai hoặc nhiều hơn hai bầu (Hình 2.10B, C)

Việc tạo ra dòng soma thể đột biến này xuất phát từ nuôi cấy mô sẹo hạt thuộc giống IR50 Ở các thế hệ R1 và R2, tất cả các cây đều bình thường mặc dù chỉ có 30 cây R2 Thể đột biến bất dục cái này là một đột

biến lặn được hình thành trong khi nuôi cấy in vitro

Câu hỏi ôn tập

1 Nêu vai trò của vật liệu khởi đầu trong công tác chọn tạo giống thực vật và cho các ví dụ minh hoạ

2 N.I Vavilov đã có những đóng góp xuất sắc nào trong nghiên cứu về

sự phân bố các nguồn gene cây trồng trên thế giới?

3 Hãy cho biết nội dung của vấn đề bảo quản và sử dụng nguồn gene thực vật trong chọn giống trên thế giới và ở nước ta

4 Hãy nêu một số thành tựu điển hình của việc ứng dụng của các thể đột biến thực nghiệm, thể biến dị đa bội, thể biến dị tổ hợp từ lai hữu tính

và các thể biến dị soma trong chọn tạo giống thực vật

Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt

Lê Trần Bình, Hồ Hữu Nghị và Lê Thị Muội 1997 Công nghệ Sinh học

Thực vật trong Cải tiến Giống Cây trồng NXB Nông Nghiệp, Hà Nội

Nguyễn Văn Hiển (chủ biên) 2000 Chọn giống cây trồng NXB Giáo

Dục, Hà Nội

Phạm Thành Hổ 2000 Di truyền học (tái bản) NXB Giáo Dục, Hà Nội Trần Đình Long (chủ biên) 1997 Chọn giống cây trồng NXB Nông

Nghiệp, Hà Nội

Trần Duy Quý 1997 Các phương pháp mới trong chọn tạo giống cây

trồng NXB Nông Nghiệp, Hà Nội

the 21 st Century (Proceedings), CLRRI, Omon, Cantho, pp.83 - 102

Chopra VL (Ed.) 1989 Plant Breeding: Theory and Practice Oxford &

IBH Publishing Co PVT, Ltd

Falconer D.S and Mackay T.F.C 1996 Introduction to Quantitative

Genetics 4th edn Longman Group, Harlow

Hartlan JR 1976 The plants and animals that nourish man Scientific

American 235 (3): 88-97

Hayward MD, NO Bosemark, I Ramagosa, Coordinating ed M.C

Cerezo 1994 Plant Breeding: Principles and Prospects 2nd ed Chapman

& Hall, London

IAEA 1995 Induced Mutations and Molecular Techniques for Crop

Improvement (Proceedings of an International Symposium on the Use of

Induced Mutations and Molecular Techniques for Crop Improvement), Joint FAO/ IAEA, 19 - 23 June 1995, IAEA, Vienna, Austria

Khush G.S 1998 "Genetics for sustaining food security in 2020" In:

XVIII th International Congress of Genetics (Abstracts), pp.7-8 August

10-15, 1998, Beijing, China

Kushibuchi K 1997 "Historical review on genetic studies and breeding

of rice 2 Historical changes in rice cultivars ", In: Science of the Rice

Plant, Volume Three: Genetics (Matsuo et al, eds.), pp.837-875 FAPRC,

Tokyo, Japan

Ling DH, ZR Ma, MF Chen and WY Chen 1989 A female-sterile mutant

found in a somaclonal line from IR50 Rice Genetics Newsletter, Vol 6,

pp.143-144 National Insitute of Genetics, Mishima, Japan

http://www.shigen.nig.ac.jp/rice/rgn/vol6/index.html

Luu Ngoc Trinh, Dao The Tuan, Tran Danh Suu, D.S Brar, G.S Khush and K Okuno 1998 "A study of genetic diversity in rice germplasm of

Vietnam based on isozyme and molecular techniques" In: XVIII th

International Congress of Genetics (Abstracts), p.201 August 10-15,

Tan C.C 1998 "Genetics - better life for all" (Presidential address at

opening ceremony), In: XVIII th International Congress of Genetics

(Abstracts), pp.1-6 August 10-15, 1998, Beijing, China

Chương 3

Cơ sở Di truyền Số lượng trong Chọn giống Thực vật

I Các tính trạng số lượng và di truyền số lượng

1 Khái niệm và thí dụ kinh điển

1.1 Tương tác cộng gộp (additive)

Tương tác cộng gộp hay còn gọi là sự di truyền đa gene (polygenic) là

hiện tượng di truyền đặc trưng của các tính trạng số lượng (quantitative

trait), trong đó các gene không allele tác động cùng hướng lên sự biểu hiện

của một tính trạng Mỗi allele (thường là trội) của các gene đa phân như

thế thường đóng góp một phần ngang nhau trong sự biểu hiện ra kiểu hình

ở một mức độ nhất định Như vậy, liều lượng các allele tăng dần trong các

kiểu gene sẽ tạo ra một dãy biến dị kiểu hình liên tục trong quần thể

Ví dụ: Các thí nghiệm nổi tiếng năm 1909 của nhà di truyền học Thụy

Điển (Sweden) Herman Nilsson-Ehle về sự di truyền màu sắc hạt (màu sắc

phôi nhũ) lúa mỳ Khi lai giữa các giống lúa mỳ thuần chủng hạt đỏ với

hạt trắng, ở F1 ông thu được toàn dạng trung gian có màu hồng; và tùy

theo dạng hạt đỏ được sử dụng trong các thí nghiệm mà ở F2 sẽ có các tỷ

lệ phân ly giữa hạt có màu với hạt không màu (trắng) là 3:1, 15:1 hay

63:1 Kết quả phân tích cho thấy chúng do 2-3 gene đa phân chi phối Sau

đây ta hãy xét trường hợp F2 với tỷ lệ 15 có màu :1 không màu, hay cụ thể

là 1 đỏ: 4 đỏ nhạt: 6 hồng: 4 hồng nhạt:1 trắng

Giải thích: Màu thẫm hay nhạt của hạt phụ thuộc vào hàm lượng sắc tố

cao hay thấp Do F2 có 16 kiểu tổ hợp với tỷ lệ tương đương trong khi F1

đồng nhất kiểu gene, chứng tỏ F1 cho 4 loại giao tử với tỷ lệ ngang nhau

nghĩa là dị hợp tử về hai cặp gene phân ly độc lập Ở đây, F1 biểu hiện

kiểu hình trung gian của hai bố mẹ và F2 xuất hiện một dãy biến dị liên tục

cùng hướng Điều đó chứng tỏ tính trạng này tuân theo quy luật tác động

cộng gộp hay đa phân tích lũy

Quy ước: Vì allele cho màu đỏ là trội hơn allele cho màu trắng và

mức độ biểu hiện của các hạt có màu ở F2 tùy thuộc vào liều lượng các

allele kiểm soát sự hình thành sắc tố đỏ trong kiểu gene, nên người ta

thường ký hiệu các gene không allele bằng các chỉ số 1, 2 kèm theo các

chữ cái in hoa (A) cho allele trội và chữ cái in thường (a) cho allele lặn,

như sau: A1, A2 - đỏ; a1, a2 - trắng Từ đây ta có thể dễ dàng xác định kiểu

gene của F1 hồng (A1a1A2a2), của bố mẹ (P): đỏ (A1A1A2A2) và trắng

(a1a1a2a2), và thiết lập sơ đồ lai như sau:

trắng đỏ thẩm

Trắng Đỏ thẩm

tinh trùng trứng

Hình 3.1 Một phép lai của lúa mỳ đỏ và trắng do ba gene chi phối, cho thấy mối

tương quan giữa tỷ lệ của 7 kiểu hình ở F 2 và số allele trội trong mỗi kiểu gene

Một ví dụ độc đáo khác là trường hợp di truyền số dãy hạt trên bắp

ngô (xem trong Di truyền học đại cương - Dubinin 1981, tr.135-145)

Nhận xét:

(1) Bằng cách vẽ một đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa số allele trội

có mặt trong kiểu gene (trên trục hoành) và các tần số kiểu hình (trên trục tung) ở F2, ta sẽ thu được một đường cong phân bố chuẩn có dạng hình chuông, gọi là phân phối Gauss Trong đó kiểu hình trung gian hay các kiểu gene chứa hai allele trội (tương ứng với trị số trung bình) chiếm tỷ lệ cao nhất, còn các kiểu hình hoặc kiểu gene ở hai đầu mút tương ứng với các ngưỡng "cực đoan" bao giờ cũng chiếm tần số thấp nhất (xem Hình 3.1) Đó cũng là quy luật chung cho các tính trạng số lượng

(2) Đối với các tính trạng di truyền theo kiểu đa phân cộng gộp, các hệ

số của tỷ lệ kiểu hình có thể xác định bằng cách dựa vào tam giác Pascal

1.2 Tính trạng số lượng (quantitative trait)

Thông thường, các tính trạng có liên quan đến kích thước, khối lượng (thường hay gọi là trọng lượng) được xác định dựa trên thang định lượng (quantitative scale), được gọi là các tính trạng số lượng

Nói chung, các tính trạng số lượng có các đặc điểm sau: Do nhiều gene quy định; chịu ảnh hưởng lớn của các điều kiện môi trường; và có sự phân

bố kiểu hình liên tục trong một quần thể (hình 3.1), nhưng chúng cũng có thể xảy ra dưới dạng các lớp kiểu hình khác nhau, chẳng hạn như trong các ví dụ về dãy màu sắc hạt ở lúa mỳ hoặc số dãy hạt trên bắp ngô nói trên Vì vậy, đối với các tính trạng này, không có một mối quan hệ chính xác giữa trị số kiểu hình và một kiểu gene cụ thể Chẳng hạn, ở người, đó

là các tính trạng về chiều cao, trọng lượng, hay chỉ số thông minh (intelligence quotient - IQ); ở cây lúa, lúa mỳ đó là số hạt trên mỗi bông,

số bông trên mỗi khóm Tuy nhiên, trong những năm gần đây nhờ sử

dụng các chỉ thị hay dấu chuẩn phân tử (molecular marker), người ta đã

tiến hành lập bản đồ các gene có hiệu quả lớn lên các tính trạng đặc biệt

(như các bệnh phức tạp ở người, năng suất cây trồng ) gọi là các locus

tính trạng số lượng (quantitative trait loci = QTL)

2 Một số khái niệm thống kê cơ bản

Để nghiên cứu sự biến đổi kiểu hình của các tính trạng số lượng, nhất thiết phải sử dụng các phương pháp của thống kê toán học Đó là phương pháp lấy mẫu sao cho hợp lý, nghĩa là mẫu phải đủ lớn, mang tính ngẫu nhiên và đại diện; việc xử lý số liệu đòi hỏi phải sử dụng một số đại lượng hay tham số thống kê cơ bản

Dưới đây là một số tham số thống kê thông dụng của lĩnh vực Di

truyền học số lượng:

- Trung bình cộng (mean):

=

= n

1 i i

Xn

1X

- Độ lệch chuẩn (standard deviation) bằng căn bậc hai của biến lượng:

S

1

2

)(

11

- Sai số trung bình mẫu:

m = ± S / n

- Biến lượng hay phương sai mẫu (Vx hay S2, variance):

2 1

)(1

1

x n

i i

Y Y X

X

Y Y X X r

1

2 1

2

1

)()

(

)((

; (-1 ≤ r ≤ + 1)

- Phương pháp Khi-bình phương (Chi-square method) trong đánh giá

độ phù hợp giữa các số liệu quan sát và kỳ vọng

Nói chung, các số liệu thống kê thu được từ các thí nghiệm vốn sai khác ít nhiều so với các con số mang tính chất lý thuyết, tuỳ thuộc chủ yếu vào mẫu thí nghiệm và phương pháp lấy mẫu Trong trường hợp đó, chúng

ta băn khoăn không rõ liệu sự giả định "xấp xỉ" của chúng ta có thật chắc chắn không? Hay nói theo ngôn ngữ thống kê, "giả thuyết tương đồng H0

được chấp nhận hay bị bác bỏ", nghĩa là kết quả thu được có thật nghiệm đúng với tỷ lệ của một quy luật nào đó hay không?

Để có được câu trả lời rốt ráo cho vấn đề này chỉ có cách là sử dụng

trắc nghiệm Khi-bình phương (χ2-test) Đây là một công cụ toán thống kê

thông dụng cho phép kiểm tra độ phù hợp giữa các trị số thực tế quan sát được (observed, ký hiệu: O) và các trị số lý thuyết được kỳ vọng

(expected, ký hiệu: E) của một giả thuyết hay phân phối thực nghiệm khoa học nào đó, hoặc để kiểm tra tính độc lập của hai đại lượng ngẫu nhiên Nhờ đó ta có thể rút ra quy luật, hoặc hiệu quả của hai phương pháp thí