Xác định ngưỡng nhiệt độ chuyển đổi tính dục của một số dòng TGMS đang sử dụng ở miền bắc việt nam

Trong đó phần lớn các tổ hợp được tạo ra thuộc hệ lúa lai hai dòng, mẹ là dòng bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ TGMS, các dòng này là công cụ chủ yếu để sản xuất hạt lai F1 hệ "Hai dòng"

Bộ giáo dục và đào tạo trường đại học nông nghiệp i

Lời cam đoan

- Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và ch−a từng đ−ợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào

- Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đ2

đ−ợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đ2 đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Đặng Văn Hùng

Lời cảm ơn

Trong thời gian hoàn thành luận văn, ngoài sự lỗ lực, cố gắng của bản thân tôi đ2 nhận được sự giúp đỡ tận tình của các quý cơ quan, các thầy, các cô và bạn đồng nghiệp

Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Trâm đ2 tận tình hướng dẫn giúp đỡ, tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ các thầy cô giáo trong Khoa nông học, Khoa Sau đại học, Trường Đại học Nông nghiệp I

Tôi xin trân thành cảm ơn Ban L2nh đạo Viện sinh học Nông nghiệp cùng các anh, chị, và các bạn thuộc Phòng ứng dụng ưu thế lai, Viện sinh học nông nghiệp, Trường Đại học Nông nghiệp I đ2 tạo điều kiện về cơ sở, vật chất

và giúp đỡ tôi trong xuất thời gian thực hiện luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám đốc Trung tâm Khảo nghiệm giống sản phẩm cây trồng và phân bón Quốc gia, L2nh đạo Trạm Khảo kiểm nghiệm giống cây trồng và phân bón Văn Lâm đ2 tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cám ơn bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đ2 động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này

Tác giả luận văn

Đặng Văn Hùng

Mục lục

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng……… ………… vii

1 Mở đầu i

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

1.3 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

2 Tổng quan tài liệu 3

2.1 Cơ sở khoa học của đề tài 3

2.2 Quá trình nghiên cứu phát triển lúa lai trên thế giới 4

2.2.1 Phát hiện ưu thế lai ở lúa 4

2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng ưu thế lai ở lúa 4

2.3 Nghiên cứu phát triển lúa lai ở các quốc gia trên thế giới 10

2.3.1 Trung Quốc 10

2.3.2 ấn độ và một số nước khác 13

2.3.3 Việt Nam 16

2.4 Cơ sở di truyền của hiện tượng ưu thế lai 18

2.5 Các hệ thống bất dục đực trong chọn giống lúa lai 19

2.5.1 Bất dục đực tế bào chất và hệ thồng lúa lai 3 dòng 20

2.5.2 Bất dục đực di truyền nhân 24

3 Vật liệu, nội dung và phương pháp nghiên cứu 39

3.1 Vật liệu nghiên cứu 39

3.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 40

3.2.1 Địa điểm nghiên cứu 40

3.2.2 Thời gian nghiên cứu 40

3.3 Nội dung nghiên cứu 40

3.4 Phương pháp nghiên cứu 40

3.4.1 Thí nghiệm 1: 40

3.4.2 Thí nghiệm 2: 43

3.4.3 Thí nghiệm 3: 44

3.5 Phương pháp xử lý số liệu 45

4 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 47

4.1 Thời gian từ gieo đến trỗ của các dòng TGMS ở vụ mùa 47

4.2 Số lá trên thân chính của các dòng TGMS qua các TV 49

4.3 Kết quả đánh giá một số đặc điểm hình thái của các dòng TGMS 52

4.4 Kết quả theo dõi một số đặc điểm nông sinh học của các dòng TGMS 55

4.5 Đặc điểm hoa, tập tính nở của các dòng TGMS ở vụ mùa 2006 59

4.6 Đánh giá mức độ nhiễm sâu bệnh của các dòng TGMS 62

4.6.1 Mức độ nhiễm sâu bệnh tự nhiên của các dòng TGMS 62

4.6.2 Phản ứng của các dòng TGMS với 4 nhóm nòi vi khuẩn Xanthomonas Oryzeac gây bệnh bạc lá lúa 63

4.8 Một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng TGMS trong điều kiện nhân dòng 66

4.9 Đánh giá tính bất dục của các dòng TGMS trong điều kiện tự nhiên 67

4.9.1 Đặc điểm bao phấn, hạt phấn bất dục của các dòng 67

4.9.2 Diễn biến bất dục của các dòng TGMS trong điều kiện tự nhiên 69

4.9.3 Kết quả đánh giá ngưỡng chuyển đổi trong điều kiện nhân tạo 79

4.9.4 Đánh giá nhiệt độ gây bất dục của các cá thể hữu dục 82

5 Kết luận và đề nghị 86

5.1 Kết luận 86

5.2 Đề nghị 87

Tài liệu tham khảo 88

Danh mục chữ viết tắt

TT Chữ viết tắt Nghĩa của chữ viết tắt

1 A Dòng A, dòng bất dục đực di truyền tế bào chất

2 B Dòng duy trì tính bất dục (Maintainer Line)

3 BT Kiểu bất dục đực BT thuộc loài phụ Japonica

4 C CMS Cytoplasmic Male Sterile

5 EGMS Environment Sensitive Genic Male Sterile

6 GMS Genic Male Sterile

8 P Photoperiod : quang chu kỳ

9 PGMS Photosensitive Genic Male Sterile

10 TGMS Thermosentitive Genic male sterile

13 R Dòng phục hồi hữu dục (Restorer Line)

14 WA Bất dục đực kiểu hoang dại (Wild Aborted)

Danh mục bảngBảng 1 Điều kiện nhiệt độ và ánh sáng trong phytorton để đánh giá các dòng EGMS ở Trung Quốc 36 Bảng 2: Danh sách các dòng TGMS tham gia thí nghiệm 39 Bảng 3: Thời gian gieo cấy các thời vụ trong vụ mùa 2006 41 Bảng 4.1: ảnh hưởng của thời vụ gieo đến thời gian từ gieo đến trỗ 10% của các dòng TGMS trong vụ mùa 2006 48 Bảng 4.2: ảnh hưởng của thời vụ gieo đến số lá trên thân chính của các dòng TGMS 50 Bảng 4.3: Một số đặc điểm hình thái của các dòng TGMS 54 Bảng 4.4 : Một số đặc điểm nông sinh học của các dòng TGMS ở vụ mùa (gieo 19/06) và vụ xuân (gieo 20/01) 58 Bảng 4.5: Một số đặc điểm về hoa của các dòng TGMS 60 Bảng 4.6: Mức độ nhiễm sâu bệnh tự nhiên của các dòng TGMS 62 Bảng 4.7: Mức phản ứng với 4 nhóm nòi VK Xanthomonas Oryzeac của các dòng TGMS trong diều kiện bất dục (mùa 2006) 65 Bảng 4.8: Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng TGMS ở điều kiện nhân dòng 66 Bảng 4.9: Một số đặc điểm hạt phấn ở thời kỳ bất dục của các dòng TGMS 68 Bảng 4.10: Tỷ lệ phấn hữu dục của một số dòng TGMS ở các thời vụ trong

điều kiện tự nhiên 71 Bảng 4.11: Tỷ lệ phấn hữu dục của một số dòng TGMS ở các thời vụ trong

điều kiện tự nhiên 75 Bảng 4.12: Kết quả phân lập những cá thể có ngưỡng chuyển đổi tính dục

240C 81 Bảng 4 13: Tỷ lệ cây bất dục - hữu dục khi xử lý ở nhiệt độ 24,50C 84 Bảng 4.14: Sơ bộ phân loại ngưỡng chuyển đổi tính dục của các cá thể cùng dòng (%)85

1 Mở đầu 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Việc khai thác và sử dụng ưu thế lai ở cây lúa đ2 và đang đem lại hiệu quả to lớn cho sản suất lương thực, đẩy năng suất lúa tăng nhanh, góp phần

đảm bảo an ninh lương thực cho nhân dân các nước châu á, nơi có tới 90% dân số sử dụng lương thực là lúa gạo Đến nay lúa lai đ2 được trồng ở đa số các nước trồng lúa

ở Việt Nam, lúa lai được đưa vào gieo trồng từ những năm 90 của thế

kỷ XX Diện tích gieo trồng đến nay lên tới 500 - 600 nghìn héc ta nhưng chúng ta vẫn chưa tự chủ sản xuất đủ hạt lai F1 để cung cấp cho thị trường, hàng năm vẫn phải nhập khẩu một lượng hạt giống khá lớn (khoảng 70 - 80%)

từ nước ngoài Điều này làm cho chúng ta luôn bị động về số lượng, giá cả và chủng loại Do đó việc nghiên cứu chọn tạo ra các tổ hợp lúa lai mới đáp ứng nhu cầu gieo trồng hiện nay có ý nghĩa rất lớn

Cho tới nay, các nhà khoa học Việt Nam đ2 nghiên cứu chọn tạo được nhiều vật liệu bố mẹ và các tổ hợp lai mới phục vụ sản xuất trong nước Trong

đó phần lớn các tổ hợp được tạo ra thuộc hệ lúa lai hai dòng, mẹ là dòng bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ (TGMS), các dòng này là công cụ chủ yếu để sản xuất hạt lai F1 hệ "Hai dòng"

Tuy nhiên, một số kết quả nghiên cứu trước đây cho rằng các dòng TGMS có xu hướng nâng cao dần "ngưỡng" chuyển đổi tính dục sau một số lần nhân Đặc điểm này một phần do bản chất di truyền của chính dòng đó tạo nên, được gọi là trôi dạt di truyền (genetic drift) Một mặt do ảnh hưởng của

điều kiện ngoại cảnh Mức độ "trôi dạt của mỗi dòng khác nhau nhưng đều

ảnh hưởng tới việc duy trì các dòng mẹ và sản xuất hạt lai F1 Vì xậy đánh giá

sự thay đổi phản ứng của từng dòng TGMS với điều kiện ngoại cảnh là vô cùng cần thiết Thực hiện đề tài “Xác định ngưỡng nhiệt độ chuyển đổi tính dục của một số dòng TGMS đang sử dụng ở miền Bắc Việt Nam” đặt cơ sở

cho việc nghiên cứu độ ổn định của chúng góp phần làm thuần dòng mẹ để sản xuất F1 hệ 2 dòng có hiệu quả cao hơn

1.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Xác định ngưỡng chuyển đổi tính dục của một số dòng TGMS đang

sử dụng trong nước bằng xử lý nhân tạo

- Xác định tỷ lệ cây trượt "ngưỡng" và bước đầu tìm hiểu nhiệt độ trượt của các dòng TGMS sau một lần nhân, tìm ra những dấu hiệu hình thái của những cá thể trượt so với những cá thể ổn định giúp cho công tác đánh giá thuận lợi hơn

1.3 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài “Xác định ngưỡng nhiệt độ chuyển đổi tính dục của một số dòng TGMS đang sử dụng ở miền Bắc Việt Nam” có ý nghĩa quan trọng trong việc tạo cơ sở cho việc đánh giá tính ổn định của các dòng TGMS, kết quả của đề tài sẽ đặt cơ sở cho chọn lọc, duy trì dòng TGMS siêu nguyên chủng, nhân nguyên chủng - xác nhận để sản xuất hạt lai F1

Kết quả của đề tài đặt cơ sở cho việc chọn thuần và khống chế ổn định

"ngưỡng" chuyển đổi tính dục các dòng TGMS đang sử dụng để sản xuất hạt F1

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đánh giá đặc điểm nông sinh học của các dòng TGMS đang được sử dụng tại Việt Nam trong điều kiện thí nghiệm

- Xác định ngưỡng của các dòng và tìm hiểu sơ bộ thời gian trượt ngưỡng chuyển đổi tính dục và nhiệt độ trượt lên của một số dòng TGMS đang

sử dụng

2 Tổng quan tài liệu

2.1 Cơ sở khoa học của đề tài

Trong hệ thống sản xuất lúa lai hai dòng chỉ cần sử dụng hai dòng là dòng bố và dòng mẹ Công cụ di truyền được sử dụng làm dòng mẹ chủ yếu là các dòng bất dục đực di truyền nhân còn gọi là bất dục đực cảm ứng với môi trường (EGMS) Các nguồn EGMS có giá trị thực tế trong chọn tạo lúa lai hai dòng hiện nay bao gồm: Kiểu bất dục đực cảm ứng với độ dài chiếu sáng trong ngày (dòng PGMS) và bất dục đực cảm ứng với nhiệt độ (dòng TGMS)

Sự chuyển hoá tính dục của các dòng PGMS chủ yếu do độ dài chiếu sáng trong ngày quyết định Đối với dòng TGMS thì sự chuyển hoá tính dục chủ yếu do nhiệt độ quyết định

Tổng kết các công trình nghiên cứu về tính bất dục của các dòng EGMS cho thấy: Tính trạng bất dục đực của các dòng EGMS được kiểm soát bởi một hoặc 2 cặp gen nhân và không chịu sự kiểm soát của gen trong tế bào chất [12], [40], [74], [75]

Ngưỡng chuyển hoá bất dục của các dòng EGMS không ổn định, nó có

xu hướng xuất hiện các biết dị nâng cao dần ngưỡng chuyển hoá qua các thế

hệ nhân [5], [12] Nghiên cứu về ngưỡng chuyển đổi tính dục của dòng 96 - 5

- 2 S (dòng được chọn tạo từ dòng Peải 64S), của các nhà khoa học Trung Quốc cho thấy: Ngưỡng chuyển đổi tính dục tăng dần theo các thế hệ nhân [79]

Điều kiện khí hậu Việt Nam có hai mùa nóng lạnh tương đối rõ rệt có thể lợi dụng sự thay đổi nhiệt độ trong năm để duy trì các dòng TGMS và sản xuất hạt lai F1 [3], [4], [13] Với các điều kiện thuận lợi đó, các nhà khoa học Việt Nam đ2 nghiên cứu chọn tạo và đưa ra sản xuất nhiều tổ hợp lúa lai thuộc hệ hai dòng, có dòng mẹ là dòng TGMS như: TH 3 - 3, TH 3 - 4, Việt Lai 20, Việt Lai 24, HC1, HYT 102, HYT103 v.v

2.2 Quá trình nghiên cứu phát triển lúa lai trên thế giới

2.2.1 Phát hiện ưu thế lai ở lúa

Ưu thế lai là hiện tượng khi lai giữa hai bố mẹ khác nhau về đặc tính di truyền thu được con lai F1 có sức sống cao hơn trung bình của hai bố mẹ hoặc cao hơn bố (mẹ) tốt nhất Sức sống của con lai F1 thể hiện ở sức sinh trưởng, khả năng sinh sản, khả năng chống chịu với sâu bệnh và điều kiện ngoại cảnh bất thuận, năng suất hạt, khả năng thích ứng (Yuan Long Ping, 1995) [90] Vào những năm nửa đầu thế kỷ XIX, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu hiện tượng ưu thế lai ở lúa JonesJ.W.1926 lần đầu tiên báo cáo về sự xuất hiện ưu thế lai trên những tính trạng số lượng và năng suất (Trích theo Nguyễn Thị Trâm)[18] Sau đó nhiều nhà khoa học trên thế giới đ2 nghiên cứu và công

bố về hiện tượng ưu thế lai ở lúa như: Idsumi (1936) [37]; Kadam và cộng sự (1937); Richharia R.H , 1962; Carnahan và cộng sự; Shinjyo và Omura 1966; Athwal và Virmani Các nghiên cứu trên đây đều chưa thành công vì họ chưa tìm ra được phương pháp thích hợp để sản xuất hạt lai(Trích theo Nguyễn Thị Trâm)[18]

Năm 1964, các nhà khoa học Trung Quốc đ2 tìm ra một dạng lúa dại bất dục, sau đó họ đ2 thành công trong việc chuyển gen bất dục đực tế bào chất vào trong lúa trồng tạo ra các dòng lúa bất dục đực (CMS) mở đường cho công tác khai thác ưu thế lai thương phẩm sau này ( Li Z Zhu Y., 1988; Yuan L.P.,

1966, 1977, 1993) [51], [82], [83], [89]

2.2.2 Nghiên cứu ứng dụng ưu thế lai ở lúa

Việc nghiên cứu ứng dụng ưu thế lai ở lúa đ2 đem lại hiệu quả kinh tế vô cùng to lớn cho nhân loại, giúp cho thế giới tránh được sự khủng hoảng về lương thực Tạo việc làm cho nhiều lao động ở vùng nông thôn Hiện tại có hai hệ thống được nghiên cứu ứng dụng rộng r2i là: Hệ thống lúa lai "Ba dòng" và "Hai dòng"

2.2.2.1 ứng dụng bất dục đực TBC và hệ thống lúa lai 3 dòng

Hệ thống lúa lai ba dòng đ2 tạo ra bước đột phá cho việc khai thác ưu thế lai ở lúa, làm phá vỡ thế "kịch trần" năng suất lúa và hiện nay vẫn là một phương pháp hữu hiệu để phát triển các tổ hợp lúa lai và sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong chương trình phát triển lúa lai của nhiều nước

Việc các nhà khoa học Trung quốc phát hiện ra cây lúa dại bất dục đực tế bào chất vào năm 1964 tại đảo Hải Nam là bước đột phá quan trọng trong chọn giống lúa lai Từ đó rất nhiều dòng bất dục đực CMS khác đ2 được chọn tạo nhờ phép lai lặp lại giữa các kiểu bất dục đực tế bào chất với lúa trồng hoặc với lúa dại Năm 1975 qui trình kỹ thuật sản xuất hạt lai hệ ba dòng được hoàn thiện và đưa vào sản xuất (Yuan L.P., 1993) [89]

Theo Yuan LP để sản xuất hạt lai theo hệ thống "3 dòng" thì phải có đủ vật liệu 3 dòng bố mẹ đó là:

- Dòng bất dục đực di truyền tế bào chất (CMS) gọi là dòng A dùng làm

đang dùng thuộc kiểu "WA" Vì ngoài những đặc tính nông học không tốt, một số nguồn bất dục trên có tính bất dục không ổn định và độ thuần còn thấp [18]

Khả năng tìm dòng phục hồi cho lúa lai ba dòng cũng bị hạn chế do phổ phục hồi của các dòng CMS kiểu " WA" rất hẹp, nên ưu thế lai còn thấp [87] Các tổ hợp lai ba dòng trong loài phụ Japonica còn ít Do sự đa dạng di truyền về gen phục hồi trong lúa Japonica rất nghèo nàn nên ưu thế lai thuộc loại này luôn thấp hơn loài phụ Indica Năng suất của các tổ hợp lai này trên diện rộng chỉ tăng 5-10% so với các giống Japonica thường [18]

Để khắc phục những hạn chế của lúa lai ba dòng các nhà khoa học đ2 tìm

ra một hướng đi mới Đó là hệ thống lúa lai "hai dòng"

2.2.2.2 ứng dụng bất dục đực nhân và hệ thống lúa lai 2 dòng

Phương pháp khai thác ưu thế lai theo hệ hai dòng sử dụng hai dòng bố

mẹ để sản xuất hạt lai F1 Công cụ di truyền chính được sử dụng trong hệ thống lúa lai hai dòng là các dòng EGMS (PGMS và TGMS)

Dòng bất dục đực chức năng di truyền nhân mẫn cảm với môi trường lần

đầu tiên được phát hiện ở Trung Quốc là Nongken58S Dòng này có đặc điểm

là bất dục hoàn toàn ở điều kiện ngày dài (>14 giờ) trong mùa hè và phục hồi hữu dục trong điều kiện ngày ngắn (<13,75 giờ) trong mùa thu Năm 1989 Yang và cộng sự đ2 tạo ra dòng PGMS 5460PS từ giống lúa IR54 Zhou và cộng sự (1988,1991); Virmani và Voc (1991); Wu và cộng sự (1991) đ2 phát hiện ra các dòng bất dục đực cảm ứng nhiệt độ (TGMS), sự chuyển hóa bất dục hữu dục do điều kiện nhiệt độ quyết định Sau đó hàng loạt các dòng EGMS đ2 được phát hiện Trên cơ sở hệ thống này Yuan Long Ping (1987) đ2

đề ra chương trình tạo giống lúa lai hai dòng Trong hệ thống này chỉ cần sử dụng một dòng bất dục và một dòng cho phấn để sản xuất hạt lai F1

Lúa lai hai dòng đ2 khắc phục được rất nhiều nhược điểm của hệ ba dòng Các dòng bất dục đực EGMS di truyền không chịu ảnh hưởng của tế bào chất Phổ phục hồi hữu dục cho các dòng EGMS rộng nên có thể lai xa giữa các kiểu hình sinh thái địa lý, các loài phụ xa hơn để tìm kiếm các tổ hợp lai ưu tú, nâng cao hiệu ứng ưu thế lai hơn các tổ hợp "ba dòng" Công nghệ sản xuất hạt lai

hai dòng đơn giản hơn hệ thống ba dòng vì không cần dòng duy trì bất dục Tính bất dục đực chức năng di truyền nhân do một cặp gen lặn kiểm tra, có thể dùng phương pháp lai để chuyển gen này sang nhiều dòng giống khác, đa dạng hoá nền di truyền của dòng mẹ, khác phục hiện tượng đồng tế bào chất của các dòng CMS, tránh nguy cơ gây hại của sâu bệnh, dễ dàng cải tiến phẩm chất Tuy nhiên hệ thống "hai dòng" vẫn còn có những nhược điểm như:

- Sản xuất hạt lai "hai dòng" vẫn phải tiến hành hàng vụ trên diện tích rộng, phải cách ly nghiêm ngặt và tuân theo một quy trình hết sức chặt chẽ mới

đạt được năng suất cao Quá trình sản xuất phải sử dụng nhiều lao động thủ công nặng nhọc, thường xuyên chịu rủi ro vì điều kiện thời tiết thay đổi ngoài

dự tính

- Lô hạt giống "hai dòng" có độ thuần không cao, hạt lẫn chủ yếu là hạt của dòng mẹ tự thụ, do những thay đổi đột ngột của thời tiết Vì hạt F1 không thuần nên độ đồng đều không cao, ưu thế lai không bộc lộ hết tiềm năng [19] 2.2.2.3 ứng dụng hiện tượng Apomixis và hệ thống lúa lai 1 dòng

Yuan LP định nghĩa phương pháp một dòng là phương pháp sản xuất hạt lai thuần (True-Bred-Hybrid-Rice) nhờ sử dụng thể vô phối (Apomixis) để sản xuất hạt lai mà hạt lai vô phối lại có khả năng cố định ưu thế lai [90]

Trước khi đi đến thành công trong sản xuất hạt lai thuần nhờ sử dụng thể vô phối người ta đ2 sử dụng một số phương pháp cố định hay duy trì ưu thế lai

đơn giản hơn, các phương pháp như sau:

- Duy trì ưu thế lai bằng nhân giống vô tính:

Lúa là cây thân thảo hàng năm, có chu kỳ sinh trưởng ngắn, sau khi thu vụ chính từ các mắt ngủ có thể mọc ra các chồi mà người nông dân

đ2 từng khai thác chúng trong những điều kiện nhất định để tận thu, gọi

là lúa chét hay lúa tái sinh (ratoon) Lúa lai tái sinh đ2 cho năng suất cao

từ 4,5 - 6,0 tấn/ha/vụ, điển hình lên tới 10,6 tấn/ha/vụ(trích theo Nguyễn Thị Trâm, 2003) [21]

- Duy trì ưu thế lai bằng phương pháp tạo thể song nhị bội (Amphidiploids) Randolph (1941) và Miruit (1948) đ2 đề xuất việc sử dụng những dạng dị tứ bội để duy trì ưu thế lai Miruit nhận thấy con lai giữa các dòng lạc tứ bội thuần có tính ổn định cao Yuan L.P cho rằng, ở lúa khi tiến hành lai xa giữa các loài phụ, quá trình bắt cặp nhiễm sắc thể có thể không tiếp hợp hoàn toàn Nếu tiến hành đa bội hoá các thể lai thì ngược lại sẽ xẩy ra sự tiếp hợp tốt nhất giữa các nhiễm sắc thể khác nguồn thu được do lai khác loài Thể nhị bội kép hình thành trong trường hợp này có thể duy trì ưu thế lai lâu dài nhờ quá trình tồn tại song song của các allen từ hai loài khác nhau (trích theo Nguyễn Thị Trâm, 2003) [21]

- Duy trì ưu thế lai bằng nuôi cấy tế bào soma của cây F1

PGS.TS Nguyến Thị Trâm [21] cho biết: Các nhà khoa học ấn Độ tiến hành nuôi cấy bao phấn cây lai F1 đ2 tiến hành phân lập hai loại mạ bao gồm: cây đơn bội do tái sinh từ hạt phấn đơn bội 1n; và cây lưỡng bội tái sinh từ các

tế bào 2n của thành vách bao phấn, tầng nuôi, chỉ nhị Những cá thể lưỡng bội này mang đầy bản chất di truyền của cây F1, Có thể sử dụng thay thế cây F1 (Nguyễn Thị Trâm, 2003)

Năm 1987, Yuan L.P đẫ đề xuất chiến lược nghiên cứu lúa vô phối, coi

đây là công cụ di truyền để nghiên cứu và sản xuất lúa lai một dòng Ông cho rằng mục tiêu cuối cùng rất quan trọng của chọn giống lúa lai là cố định ưu thế lai và sản xuất lúa lai thuần, con đường tốt nhất để phát triển giống lai xa thuần chủng là phải sử dụng thể vô phối của lúa đa phôi (Yuan L.P., 1987) [86]

Để cố định ưu thế lai bằng sản xuất hạt lai vô phối thì trước hết phải có vật liệu vô phối Các nhà khoa học đ2 đề xuất một số phương pháp chọn lúa vô phối như sau:

- Tuyển chọn lúa vô phối trong tập đoàn giống lúa: trước hết cần chọn các giống lúa đa phôi, sau đó bằng các nghiên cứu tiếp theo để xác định mầm vô phối

- Xử lý đột biến bằng các tiaγ, tia X, tia cực tím lên hạt phấn trước khi thụ phấn hoặc dùng một số hoá chất như 2,4D; NAA; GA3; DMSO; xử lý các bông lúa đ2 được khử đực hoặc lên các dòng CMS để thu hạt vô phối trên cây mẹ

- Bằng lai xa hoặc lai các dòng CMS, EGMS với các giống lúa thường sau

đó xử lý đột biến sẽ thu được hạt lai, có thể có cả hạt hữu tính và hạt vô phối Gieo tiếp thế hệ F2, chọn lọc các cá thể vô phối trong quần thể Tiếp tục gieo

và chọn nhiều lần sẽ thu được dòng vô phối mong muốn

* Cố định ưu thế lai bằng sản xuất hạt lai vô phối

Thể vô phối dùng làm bố để lai với dạng mẹ hữu tính Con lai F1 sẽ sinh

ra một số cá thể vô phối Chon lọc các cá thể này có thể cố định ưu thế lai Theo PGS TS Nguyễn Thị Trâm [19] cho biết Murty đ2 dùng thuật ngữ

"Vybrid" để chỉ một giống lúa lai được cố định ưu thế lai hay lúa lai "một dòng" ông đưa ra phương pháp tạo các "Vybrid" như sau:

- Khi đ2 chọn tạo được thể vô phối tự nhiên (Facultave apomictic), chọn các giống lúa thường có nhiều đặc điểm tốt lai với các thể vô phối này Nếu có nhiều thể vô phối có những đặc điểm khác nhau thì có thể lai chúng với nhau để tổng hợp các tính trạng tốt và đặc điểm sinh sản vô phối vào một cơ thể mới

- Gieo F1 các tổ hợp lai với mật độ thưa, chọn những tổ hợp có tần số vô phối cao và có ưu thế lai mạnh

- Gieo F2 để đánh giá mức độ phân ly, chọn cá thể vô phối (kiểu hình giống F1) có ưu thế lai mạnh

- Các cá thể chọn được từ F2 gieo thành từng dòng ở F3, chọn dòng có ưu thế lai cao và đồng nhất về kiểu hình với cá thể được chọn khởi đầu Đó là các

"Vybrid" mong muốn

Nghiên cứu về "Vybrid" vẫn đang được các nhà khoa học nghiên cứu, tuy nhiên để có thành công ứng dụng vào thực tiễn đòi hỏi phải có nhiều thời gian, sức lực và trí tuệ để có bước đi chắc chắn[19]

2.3 Nghiên cứu phát triển lúa lai ở các quốc gia trên thế giới

2.3.1 Trung Quốc

Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu lúa lai vào năm 1964 và là nước đầu tiên sản xuất lúa lai thương phẩm Năm 1973 Trung Quốc đ2 sản xuất được hạt lai F1 hệ 3 dòng nhờ sử dụng 3 dòng bố mẹ là: Dòng bất dục đực tế bào chất (dòng A), dòng duy trì bất dục (dòng B) và dòng phục hồi (dòng R) Năm

1975 quy trình kỹ thuật sản xuất hạt lai hệ ba dòng được hoàn thiện và đưa vào sản xuất (Yuan L.P., 1993) [89]

Quá trình nghiên cứu qui trình kỹ thuật sản xuất hạt lai ngày được cải tiến và phát triển Năm 1970, tỷ lệ diện tích ruộng nhân dòng A/ruộng sản xuất hạt lai F1/diện tích trồng lúa lai thương phẩm là 1:30:1000 nhưng đến năm 1980 tỷ lệ này tăng lên là 1:50:3000, năm 1990 là 1:1:50:5000 và đến năm 1995 tỷ lệ đ2 tăng lên là 1:50:6000 (Mao, 1993; Zhou, 1995; Yuan, 2003)[57], [97], [92]

Trong quá trình phát triển lúa lai ở Trung Quốc dòng CMS kiểu hoang dại là dòng bất dục đực đầu tiên được sử dụng trong chọn giống lúa lai Sau

đó, trong những năm gần đây bằng các phương pháp lai xa huyết thống, lai xa

địa lý sinh thái Trung Quốc đ2 tạo ra một nguồn vật liệu khởi đầu phong phú cho hệ thống 3 dòng: Hơn 600 dòng CMS (gồm loài phụ Indica, Japonica), đại diện cho 60 kiểu bất dục đực mà chủ yếu là các kiểu "WA", "Dian1", "Dian3"

và "BT" và dòng duy trì tương ứng, cùng hơn 3000 dòng phục hồi (R) để tạo

ra nhiều tổ hợp lai trong đó có hơn 200 tổ hợp được gieo trồng phổ biến trong sản xuất Các tổ hợp lai này rất phong phú và đa dạng, đáp ứng yêu cầu của sản xuất và thị trường tiêu thụ của Trung Quốc (Ngô Thế Dân, 2002) [2]

Các tổ hợp lúa lai chủ yếu ở Trung Quốc có nguồn gốc từ vài dòng CMS

và dòng phục hồi và tổ hợp lúa lai ba dòng phổ biến nhất có dòng mẹ bất dục kiểu WA là Shanyou 63 được gieo trồng với tổng số diện tích 63 triệu ha tính

từ năm 1984 đến 2003 Gần đây đ2 có 8 kiểu dòng CMS được sử dụng thương mại hoá để sản xuất lúa lai [64]

Cùng với nghiên cứu phát triển lúa lai hệ ba dòng, lúa lai hệ hai dòng lần

đầu tiên được các nhà khoa học Trung Quốc nghiên cứu và phát triển Sự kiện này được đánh dấu bằng việc Shi ming song đ2 phát hiện ra cây lúa bất dục

đực cảm ứng với điều kiện môi trường, công cụ di chuyền chủ yếu để phát triển lúa lai sau này Năm 1980 qui trình công nghệ sản xuất lúa lai hai dòng

được hoàn thiện Năm 1995 thương mại hoá sản xuất lúa lai hai dòng

Bằng phương pháp lai chuyển gen các nhà chọn giống lúa lai Trung Quốc

đ2 chọn tạo được nhiều dòng EGMS mới từ nguồn Nôngken58S Những dòng P(T)GMS mới này (N504S, 31111S, WD1S, 7001S, W6154S, 8810S, HonongS, K7S, K9S, Peiai64S…) có những đặc tính nông sinh học mới mà Nongken58S không có [45], [47], [60] Ngoài các dòng EGMS phát triển từ Nông ken58 còn có các dòng 5460S, AnnongS-1 được chọn tạo do lai giữa Indica và Indica; dòng HennongS-1 do lai xa giữa Indica và lúa dại; dòng Xinguang do lai giữa Indica và Japonica Các tác giả Zeng và Zhang khi xử lý dòng Peiai64S ở các mức nhiệt độ khác nhau và chọn lọc qua 10 thế hệ đ2 chọn được các dòng đồng nguồn từ Peiai64S, nhưng khác nhau về ngưỡng nhiệt độ: P2364S, P2464S, P2664S, P2864S [95]

Bằng phương pháp đột biến các nhà chọn giống đ2 chọn tạo được nhiều dòng EGMS cung cấp cho hệ thống sản xuất lúa lai hai dòng Dòng TGMS-SA-2 thu được sau khi xử lý đột biến hóa chất dòng HPU854; các dòng 5460S, R59TS, IR2364S, Norin PL12… được tạo ra từ các đột biến phóng xạ Dòng Erlu-ZaizaoS là do đột biến bằng tác nhân vật lý trên giống lúa Eglu- zaizao (Cheng S.H., 2000) [32]

Ba dòng TGMS mới 1, 7 và

Shuangdipeies-8 được các tác giả Guangqia Zhou, Xunzhen Li và Jianlin Zhou (2002), Viện khoa học đời sống Hồ Nam - Trung Quốc chọn tạo bằng phương pháp xử lý

đột biến phóng xạ (tia Gamma nguồn Co60 liều lượng 350 GY), dòng TGMS Shuangdipeies có giá trị CFP rất thấp Các dòng TGMS này rất ổn định về ngưỡng chuyển hóa hữu dục và có cổ bông dài nên khi sản xuất hạt lai không phải phun GA3 (Hoàng Tuyết Minh, 2005) [12]

Cũng bằng phương pháp đột biến Zhang Shubiao, Huang Ronghua và các cộng sự, Viện Di truyền và Chọn giống cây trồng Phúc Kiến (2002) đ2 thành công trong tạo dòng Peiai64es1 với gen eui1(t) kiểm soát tính trạng cổ bông dài và nhạy cảm với GA3. Sử dụng dòng này trong sản xuất hạt lai chỉ cần phun một lượng rất thấp hoặc không cần phun GA3 (Zhang Shubiao et al, 2002) [96]

Bên cạnh những thành công về chọn tạo dòng TGMS và PGMS Diện tích gieo trồng lúa lai hai dòng cũng tăng lên nhanh chóng Năm 2002 tại Trung Quốc Diện tích trồng lúa lai hai dòng là 2,6 triệu ha, chiếm khoảng 18% tổng

số diện tích gieo trồng lúa lai Năng suất trung bình của lúa lai hai dòng cao hơn 5 - 10% so với lúa lai ba dòng (Yuan LP, 2004) [93]

Sau những nghiên cứu và thành công trong việc xây dựng quy trình sản xuất của nhiều tổ hợp lúa lai, diện tích gieo trồng lúa lai (bao gồm cả các tổ hợp lúa lai hệ hai dòng và ba dòng) ở Trung Quốc đ2 tăng lên nhanh Năm

1976 Trung Quốc đ2 sản xuất được hạt lai F1 và gieo cấy 140 nghìn ha lúa từ

đó diện tích gieo trồng tăng liên tục Đến năm 1990 Trung Quốc đ2 trồng 15 triệu héc ta lúa lai chiếm 46% tổng diện tích lúa, năng suất vượt 20% so với giống lúa thường tốt nhất Năm 1994, diện tích gieo trồng lúa lai ở Trung quốc

đạt 15,7 triệu ha, chiếm 50% tổng số diện tích trồng lúa toàn quốc Từ năm

1976 đến năm 1995, lúa lai đ2 giúp Trung Quốc tăng gần 300 triệu tấn lúa gạo (Yuan L.P, 1993) [89], [93]

Trong 3 thập kỷ, từ những năm 1970 đến gần đây đ2 có khoảng 334 triệu

ha lúa lai được gieo trồng và sản xuất ra khoảng 300 nghìn tỷ kilogam lúa gạo (Yuan and Peng, 2005) [94]

Nghiên cứu và phát triển lúa lai ở Trung Quốc ngày càng đi sâu hơn Năm 1996 bắt đầu chương trình phát triển siêu lúa lai Diện tích trồng siêu lúa lai là 240 000 ha và năng suất đạt được 9,6 tấn/ha vào năm 2000 Năm 2002 diện tích tăng lên 1,4 triệu ha với năng suất trung bình 9,1 tấn/ha Siêu lúa lai hai dòng (P64S/E32) và ba dòng (II 32A/Ming 86) đ2 cho năng suất 17,1 tấn vào năm 1999 và 17,9 tấn vào năm 2001 (Yuan Longping, 2004) [93]

Sự thành công về lúa lai của Trung Quốc đ2 mở ra triển vọng to lớn trong phát triển lúa lai ở nhiều nước trên thế giới, từ đó đ2 có hơn 20 nước trên thế giới tiến hành nghiên cứu và phát triển lúa lai [71]

2.3.2 ấn độ và một số nước khác

ấn Độ bắt đầu nghiên cứu lúa lai từ những năm 1970 Tuy nhiên phải đến năm 1989, nhờ sự ủng hộ của nhà nước và các tổ chức quốc tế (như FAO, IRRI) chương trình nghiên cứu phát triển lúa lai mới được hệ thống hoá và tăng cường Từ những nỗ lực đó, sau 5 năm đ2 có 6 giống lúa lai hệ 3 dòng của các cơ quan nghiên cứu thuốc khu vực nhà nước và tư nhân đ2 được công nhận và đưa vào sản xuất đại trà Đó là các giống APHR-1, APHR-2, MRG-1, KRH-1 CNRH-3 và DRRH-1 Đến năm 2001 tổng số giống lúa lai được công nhận và đưa vào sản xuất đại trà là 18 giống Trong đó có giống đặc biệt Pusa RH-10 đ2 được đưa vào sản xuất đại trà năm 2001 Đây là giống có chất lượng gạo tốt, thơm được coi là đặc sản giống như Basmati (Wanjari et al., 2006) [73] Diện tích gieo trồng lúa lai hàng năm ở ấn Độ là 200000 ha, năng suất hạt lai F1 trung bình đạt từ 1,5 - 2,0 tấn/ha Có nhiều dòng CMS cho con lai có nhiều triển vọng như PMS 10A, PMS 12A, Pusa 6A, CMRS 31A, DRR 2A và APMS 6A Cùng với đó Nhiều dòng CMS mới thuộc các loài phụ O

rufipogon và O nivara được chọn tạo như; RPMS 1, RPMS 2, RPMS 3, RPMS 4, RPMS 5, RPMS 6 Lúa lai hai dòng cũng bắt đầu được nghiên cứu từ năm 1999, tuy nhiên lúa lai hệ hai dòng chưa thực sự phát triển [59]

Cùng với ấn Độ, lúa lai còn được nghiên cứu và phát triển ở nhiều nước khác trên thế giới ở Philipin chương trình sản xuất lúa ưu thế lai đ2 được đưa vào trong chương trình lúa gạo của chính phủ từ năm 1998 Tuy nhiên chương trình thương mại hoá lúa ưu thế lai chỉ được bắt đầu vào năm 2002 [35] Từ 1998- 2001 đ2 có 7 dơn vị bao gồm các Viện nghiên cứu, Trường Đại học, Công ty hạt giống hoạt động trong lĩnh vực chọn tạo, thử nghiệm các giống lúa lai Trong giai đoạn này chủ yếu sử dụng các dòng bất dục đực tế bào chất (dòng CMS) lai tạo các tổ hợp lai Từ 1994 -1997 có hai tổ hợp lúa lai hệ 3 dòng được công nhận và đưa vào sản xuất diện rộng là PSB Rc26H (IR 62829A/IR 29723-143-3-2-1R) và PSB Rc72H (IR 58025A/IR 34686-197-1-2-1R) Các tổ hợp này có năng suất cao hơn các giống lúa thuần tương ứng PSB Rc4, IR 68 và IR 74 từ 14,6 - 16,4%.[62] Diện tích gieo trồng lúa lai tăng lên khá đều đặn từ 6825 ha mùa khô năm 2002 đến

111696 ha năm 2004 [69]

Sự thành công về phát triển và sử dụng thương mại hoá công nghệ lúa lai ngoài Trung Quốc gồm Việt Nam, ấn Độ và Philipin đ2 khuyến khích chính phủ Indonesia tăng cường cho công tác nghiên cứu và phát triển lúa lai vào năm 1998

Một số giống lúa lai hệ ba dòng đ2 được công nhận và đưa vào sản xuất trên diện rộng trong đó có 2 tổ hợp (Maro (IR58025A/IR53942) và Rokan (IR58025A/BR827-35) của khối nhà nước và 5 tổ hợp thuộc công ty tư nhân (Intani 1, Intani 2, Miki 1, Miki 2 và Miki 3) [68]

Chương trình chọn tạo lúa lai của IRRI bắt đầu từ năm 1979 và trong những năm gần đây tập trung vào phát triển các dòng CMS cải tiến, đa dạng

về di truyền và TBC; chất lượng hạt được cải tiến, hàm lượng amylose từ trung

bình đến cao, không dính, có đặc tính thơm khác nhau; khả năng thụ phấn ngoài cao, khả năng thích ứng rộng Một số dòng CMS của IRRI (IR58025A, IR69625A, IR70368A, IR28298A) được sử dụng nghiên cứu và phát triển các

tổ hợp lúa lai ba dòng ở một số nước như Banglades, Ai Cập, ấn Độ, Indonesia, Hàn Quốc, Myanmar, SriLanca, Việt Nam, Iran, Philippin [44], [30], [89], [59] [80], [49], [26], [38]

Ngoài ra các dòng CMS và dòng phục hồi có khả năng chống chịu với các loại sâu bệnh hại chính cũng được tập trung chọn lọc tại IRRI [27]

- Các nhà khoa học IRRI cũng nghiên cứu sự biến động tần số các dòng duy trì và dòng phục hồi Kết quả cho thấy có sự thay đổi đáng kể trong tần suất các dòng R cho các dòng CMS khác nhau trong các dòng giống có đặc điểm tốt từ các nguồn khác nhau (Eusebio et al, 2002) [36] Tần suất trung bình của các dòng R trong các giống lúa Indica chọn lọc

được phát triển ở các nước nhiệt đới là 50%, nhưng tần số xuất hiện dòng R biến động từ 0% với dòng CMS IR66707A (Oryza rufipogon cytoplasm) tới 67% với dòng IR68280A, 72% với IR68897A (tế bào chất WA) và 74% với IR73328A (IR62829B) đột biến tế bào chất) Với những dòng chọn lọc có nguồn gốc từ Thái Lan và ấn Độ biểu hiện tần suất xuất hiện dòng phục hồi thấp hơn những dòng có nguồn gốc từ Philippin (60%) và Bănglades (57%) [36]

Chương trình nghiên cứu chọn tạo các dòng TGMS được các nhà khoa học Viện lúa quốc tế khởi xướng từ năm 1990 và tập trung vào phát triển lúa lai cho vùng nhiệt đới Một số dòng TGMS như IR68945S, IR68949S và IR71018S mang gen tms2 từ dòng TGMS Japonica đột biến Norin PL12 từ Japan (Maruyama et al, 1991) [58], (S.S Virmani, 2003) [72] Tuy nhiên những dòng này không ổn định do điểm bất dục tới hạn cao Sau đó với việc cải tiến chương trình chọn lọc, các nhà khoa học IRRI đ2 chọn lọc được các dòng TGMS mới (IR73827-23S, IR68301S, IR75589-31S, IR75589-41S) có

điểm nhiệt độ bất dục tới hạn thấp và ổn định trong điều kiện nhiệt đới (Shanchez et al, 2002) [63]

2.3.3 Việt Nam

Theo tổng kết của Nguyễn Trí Hoàn [7]: Việt Nam bắt đầu nghiên cứu lúa lai từ những năm 1979 - 1980 ở Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam, sau đó là ở Viện lúa Đồng bằng sông Cửu Long (1983 - 1984), nhưng thực sự được xúc tiến mạnh từ những năm 1990 Kết quả bước đầu đ2 xác định được một số giống lúa lai và dòng bố mẹ nhập nội thích ứng với điều kiện sinh thái Việt Nam đem lại năng suất và hiệu quả kinh tế cao (Quách Ngọc Ân, 2002) [1]

Công tác nghiên cứu và chọn tạo các giống lúa lai ở Việt Nam được thúc

đẩy phát triển, đ2 hình thành các mạng lưới cứu và phát triển lúa lai trong cả nước, bao gồm các Viện, Trường Đại học, Trung tâm nghiên nghiên cứu Các

đơn vị nghiên cứu đ2 tập trung vào việc thu thập, đánh giá, chọn lọc thuần hoá các dòng bất dục đực nhập nội và sử dụng các phương pháp chọn giống truyền thống như lai hữu tính, đột biến để tạo các dòng bất dục đực và dòng phục hồi mới phục vụ cho công tác chọn giống lúa lai Kết quả nghiên cứu đ2 xác định

được nhiều dòng bất dục, dòng phục hồi và dòng bố thích ứng với điều kiện sinh thái ở Việt Nam như: BoA-B, Z97A, Kim23A, OMS1-2A, IR68897A, IR58025A-B, VN-01, 11S, TGMS7, TGMS11, TGMSVN1, T47S, 534S, 827S, T1S-96, 103S, 135S, T70S, T23S, T7S, P5S; các dòng bố: R3, R4, R6 R20, R24, RTQ5 …(Hoàng Tuyết Minh, 2005) [12], (Nguyễn Trí Hoàn, Nguyễn Thị Gấm, 2003) [6], (Phạm Ngọc Lương, 2000) [9], (Hà Văn Nhân, 2002) [13], (Nguyễn Thị Trâm, 2007) [24]

Các nhà chọn giống lúa lai đ2 chọn lọc thành công dòng PGMS mới P5S bằng phương pháp lai dòng T1S-96 và Peiai64S Dòng này có phấn hữu dục khi độ dài ngày ngắn hơn hoặc bằng 12h 20', bất dục hoàn toàn khi độ dài ngày từ 12h30' trở lên Thời kỳ cảm ứng vào bước 5 của phân hóa đòng Như

vậy dòng P5S có thể sử dụng làm mẹ để sản xuất hạt lai nếu cho trỗ vào đầu

đến trung tuần tháng 5 ở miền Bắc Nhân dòng trong vụ Xuân, cho trỗ trước 12/4 (Nguyễn Thị Trâm, Trần Văn Quang, 2003; 2006) [22], [14]

Cùng với kết quả trên, nhiều giống lúa lai được tạo ra và được đánh giá khảo nghiệm quốc gia ở các vùng sinh thái khác nhau Trong số đó có 3 giống

được đ2 được công nhận chính thức như: Việt Lai 20, HYT83, TH3-3, 7 giống

được công nhận tạm thời: TM4, HYT100, HYT92, TH3-4, HC1, TH 5-1, Việt lai 24 và nhiều tổ hợp được đánh giá là có triển vọng như: TH 3- 5, TH 6 - 3,

TH 7-2, HYT 102, HYT 103 [25]

Theo Nguyễn Trí Hoàn [7] và Nguyễn Thị Trâm [24] đến nay đ2 hoàn thiện các quy trình nhân dòng bất dục, sản xuất hạt lai F1 của các giống đang

được gieo trồng phổ biến ngoài sản xuất như: Bắc ưu 64, Bắc ưu 903, Nhị

ưu 838, Nhị ưu 63, Việt lai 20, TH 3-3 Việt Nam đ2 làm chủ công nghệ sản xuất hạt lai F1 đạt năng suất bình quân khá cao (2 - 2,3 tấn/ha) (Nguyễn Trí Hoàn, 2007) [7]

Kết quả nghiên cứu và phát triển đ2 thúc đẩy diện tích gieo trồng và sản lượng lúa lai thương phẩm tăng nhanh qua các năm: Năm 1992, diện tích gieo trồng trên cả nước là: 11094 ha Sau 10 năm gieo trồng diện tích tăng lên, đạt

500 000 ha và năm 2003 diện tích gieo trồng là 600 000 ha (Nguồn: Bộ NN

& PTNT, 2004)

Việt Nam có các điều kiện khí hậu thuận lợi cho nghiên cứu và phát triển lúa lai hai dòng Do vậy các nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào một số lĩnh vực như chọn tạo, đánh giá các đặc tính của các dòng TGMS Tiến hành lai thử để tìm tổ hợp lai cho ưu thế lai cao, ứng dụng kỹ thuật nuôi cấy mô trong tạo giống lúa lai hai dòng, xây dựng quy trình nhân dòng bất dục và sản xuất hạt lai F1 Công tác nghiên cứu về bản chất di truyền, tính ổn định của các dòng mẹ cũng được thực hiện nhưng phạm vi nghiên cứu còn hẹp

2.4 Cơ sở di truyền của hiện tượng ưu thế lai

Đ2 có nhiều tác giả nêu ra các giả thuyết để giải thích hiện tượng ưu thế lai Tuy nhiên đến nay mỗi giả thuyết đều có những bằng chứng đúng nhưng chưa hoàn toàn đầy đủ Các nhà khoa học còn tiếp tục nghiên cứu bổ sung để tìm ra một cơ sở lý luận đúng đắn nhất Một số giả thuyết sau đây đ2 được đề suất để giải thích hiện tương ưu thế lai ở cây trồng

a Giả thuyết tính trội (Giả thuyết về sự tác động tương hỗ giữa các gen trội) do Davenport đề xuất Theo ông thì ưu thế lai là kết quả của sự tác động tương hỗ giữa các gen trội có lợi được hình thành trong quá trình tiến hóa của sinh vật Các gen trội kiểm soát các tính trạng có lợi cho sự sinh trưởng phát triển của cơ thể lấn át các gen lặn có hại tương ứng cùng locus trên nhiễm sắc thể tương đồng Đồng thời con lai F1 sẽ có số gen trội tăng lên, vì vậy sức sống tốt hơn biểu hiện ưu thế lai rõ rệt

Ví dụ: Khi lai các cá thể có kiểu gen cùng vị trí nhưng tương phản nhau về tính trội lặn aa BB x AAbb

Con lai có kiểu gen: AaBb có ưu thế rõ rệt

A >a; B >b (gen trội ức chế gen lặn; A và B cùng quyết định một tính trạng làm giá trị của tính trạng tăng lên

b Giả thuyết siêu trội (hay còn gọi là giả thuyết dị hợp tử) do Shull và East

đề xuất Các tác giả cho rằng chính bản thân dị hợp tử là nguyên nhân quan trọng tạo nên ưu thế lai Các alen ở trạng thái dị hợp tử thì có tác động tương hỗ lẫn nhau: Alen trội lấn át hoạt động gây hại của alen lặn, đồng thời sự có mặt của alen lặn kích thích sự hoạt động của alen trội, mỗi gen trội và lặn đều giữ một chức năng khác nhau do sự phân hóa khác nguồn của các alen Do tác động tương hỗ giữa các alen trong cùng một locus sẽ tạo ra những ảnh hưởng làm cho con lai dị hợp tử có sức sống vượt xa con lai đồng hợp tử, kết quả là tạo ra ưu thế lai Sơ đồ của sự tương tác trên như sau: a1a1 < a1a2 > a2a2 hoặc AA < Aa > aa

c Thuyết cân bằng: Do Turbin đề xuất năm 1971 Theo thuyết này mỗi cơ thể sinh vật tồn tại và phát triển trong một trạng thái cân bằng di truyền nhất định, do các gen nằm trong nhân và tế bào chất quyết định, đảm bảo một kiểu hình thích ứng với môi trường xung quanh Khi lai hai cá thể có trạng thái cân bằng di truyền khác nhau thì ở F1 cân bằng của bố mẹ bị phá vỡ, tạo nên một cân bằng di truyền mới tốt hơn hoặc xấu hơn cân bằng cũ Nếu cân bằng mới tốt hơn thì tạo ra ưu thế lai cao hơn về sức sống, sức sinh sản và khả năng thích ứng

Bằng kỹ thuật lập bản đồ và phân tích di truyền Qifa Zhang và Zhikang

Li (2001) đ2 khẳng định: tất cả các tác động di truyền bao gồm cả độ dị hợp tử

ở các locus đơn đều do ảnh hưởng của siêu trội, và cả ba dạng tác động qua lại cặp đôi (cộng tính với cộng tính, cộng tính với trội và trội với trội) đều là cơ sở

di truyền của ưu thế lai trong quần thể F2 "tương đồng" Tác động dị hợp tử trên các locus đơn và tác động qua lại giữa tính trội và tính trội là cơ sở di truyền của ưu thế lai đời F1 (trích theo Hoàng Tuyết Minh, 2005) [12]

Theo các nhà khoa học sự biểu hiện ưu thế lai ở các tổ hợp khác nhau do các cơ chế khác nhau là không giống nhau Nhìn chung các tác động của gen nhân mạnh hơn gen tế bào chất và tương tác giữa các alen trong nhân là nhân

tố chính tạo ra ưu thế lai Tương tác giữa các dạng không alen liên quan chặt chẽ với khả năng tổ hợp riêng, còn hiệu ứng trội có nhiều ảnh hưởng hơn tới khả năng tổ hợp chung [17]

2.5 Các hệ thống bất dục đực trong chọn giống lúa lai

Khái niệm về bất dục đực: Bất dục đực là hiện tượng cây trồng sản sinh

ra các hạt phấn bất dục (hạt phấn không có sức sống, không thể nẩy mầm và thụ tinh trên núm nhuỵ cái), nhưng bộ phận cái (no2n) vẫn phát triển bình thường và có khả năng thụ tinh nhờ thụ phấn chéo (Trích theo Hoàng Tuyết Minh, 2005) [12]

Nguyên nhân gây ra, có thể là do yếu tố di truyền hoặc do điều kiện của môi trường

Hiện tượng bất dục đực là cơ sở cho các nghiên cứu và ứng dụng ưu thế lai ở lúa vì khi sản xuất hạt lai không cần phải khử đực dòng mẹ

2.5.1 Bất dục đực tế bào chất và hệ thồng lúa lai 3 dòng

Di truyền tế bào chất là sự truyền đạt tính trạng của thực vật thông qua bộ gen trong tế bào chất không qua quá trình phân chia giảm nhiễm Vì vậy những tính trạng được kiểm tra bởi các gen trong tế bào chất không phân ly theo quy luật di truyền của Menden mà di truyền qua tế bào sinh sản cái

Đồng thời một số tính trạng là kết quả tác động qua lại giữa nhân và tế bào chất như: Năng suất, các yếu tố cấu thành năng suất, chiều cao cây, sự trỗ thoát (Hoàng Tuyết Minh, 2002) [11]

Bất dục đực tế bào chất ở lúa là hiện tượng di truyền được ứng dụng hiệu quả nhất trong chọn tạo giống lúa ưu thế lai hệ ba dòng Các nhà khoa học đ2 tìm ra một hệ thống gồm 3 dòng vật liệu bố mẹ trong đó dòng mẹ là bất dục

đực tế bào chất (CMS hay dòng A), dòng bố phụ duy trì tính bất dục (dòng B)

và dòng bố phục hồi tính hữu dục (Restorer)

Cây lúa dại bất dục, thuộc kiểu bất dục bào tử thể (Sprophytic), ký hiệu là

WA (Wild Abortion) trong loài lúa dại Oryza fatua spontanea được Yuan Long Ping phát hiện vào năm 1964 tại đảo Hải Nam Trung Quốc (L.P.Yuan, 1977) [83] Sau phát hiện trên người ta đ2 lai lúa dại bất dục với nhiều giống lúa hoang để tạo ra các dòng CMS, dòng B và R tương ứng Shinjyo và công

sự (1969) [65]; C Shinjyo và T Omura (1975), lần đầu tiên đ2 thông báo đ2 tạo được dòng bất dục đực tế bào chất ở lúa trồng bằng phương pháp lai trở lại (Backross) giữa Boro - II/Taichung 65 Bằng phương pháp lai xa, Carnahan (1972) đ2 tạo ra dòng CMS từ việc sử dụng tế bào chất của Glaberrima và nhân của giống Colusa (Mỹ) [31]

* Phân loại bất dục đực tế bào chất

Yuan LP, (1986) [84] đ2 phân loại bất dục đực theo quan điểm như sau:

- Theo đặc điểm di truyền chia thành hai loại:

+ Bất dục đực bào tử thể (Sporophytic): Hiện tượng bất dục đực được hình thành do chính kiểu gen của cây lúa Các dòng bất dục thuộc kiểu bào tử thể khá ổn định, ít chịu ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường, lóng sát cổ bông ngắn, phổ phục hồi hẹp Các dòng bất dục hoang dại (WA) thuộc kiểu này + Bất dục giao tử thể (Gametophytic): ở dạng này hạt phấn bị thui chột, không có sức sống là do chính kiểu gen của hạt phấn thể giao tử điều khiển

Đặc điểm của kiểu bất dục giao tử thể là: Hạt phấn thoái hoá xẩy ra vào giai đoạn cuối của quá trình phát triển tiểu bào tử, hạt phấn vẫn tròn, tinh bột

đ2 được tích luỹ một ít nên khi nhuộm mầu với I - KI 1% thì bắt mầu nhạt hoặc loang lổ, bao phấn có thể có mầu vàng, không mở nhưng nếu gặp nhiệt

độ cao và ẩm độ không khí thấp thì có thể một số bao phấn vẫn mở, một số hạt phấn mẩy tung ra và thụ tinh nên vẫn có thể tự thụ, cổ bông của kiểu bất dục này trỗ thoát hơn và phổ phục hồi rộng hơn ở kiểu bất dục bào tử thể Các kiểu bất dục: Hồng Liên, BT, Tian thuộc hệ thống này

- Phân loại theo quan hệ giữa dòng phục hồi và dòng duy trì, người ta chia thành 3 loại:

+ Kiểu bất dục hoang dại (Wild Abortion - WA): Thuộc hệ thống bất dục

đực bào tử thể, các dòng bất dục kiểu này được hình thành do lai giữa lúa dại với lúa trồng (Indica chín sớm) Tính bất dục kiểu này được điều khiển bởi gen bất dục trong tế bào chất liên kết với 2 cặp gen lặn trong nhân

+ Bất dục đực kiểu Hồng liên thuộc hệ thống bất dục đực giao tử thể được hình thành do lai giữa lúa dại râu đỏ với lúa trồng giống Liên - Tang - Zao Tính bất dục được kiểm tra bởi bộ gen nằm trong tế bào chất và một cặp gen lặn cùng với một só gen cải tiến nằm trong nhân tế bào

+ Kiểu bất dục đực BT: Là kiểu đặc trưng cho loài phụ Japonica Tính bất dục được một cặp gen lặn trong nhân và gen trong tế bào chất điều khiển (Trích theo Nguyễn Thị Trâm, 1995) [18]

- Phân loại theo đặc điểm hình thái của hạt phấn

Dựa theo đặc điểm hình thái hạt phấn của các dòng CMS, Li và Zhu (1988) [51] và một số tác giả khác (L.P Yuan, 1985; Nguyễn Thị Trâm, 1995) [85], [18] chia làm 3 nhóm:

+ Nhóm bất dục điển hình: Hạt phấn bất dục có hình dạng bất thường như hình tam giác, hình thoi, hình cầu khuyết, vỏ hạt nhăn nheo, khi nhuộm mầu với I- KI 1% thì không bắt mầu Hạt phấn bất dục chủ yếu vào thời kỳ đơn nhân vì thế kiểu bất dục này còn gọi là kiểu " bất dục đơn nhân"

+ Nhóm bất dục hạt phấn có dạng hình cầu: Hạt phấn hình cầu, kích thuớc các hạt phấn trong cùng bao phấn không đều nhau, không chuyển mầu khi nhuộm trong dung dịch I-KI 1% Hạt phấn thoái hoá ở thời kỳ hai nhân nên gọi là kiểu "bất dục hai nhân" Các dòng CMS Hồng liên thuộc kiểu này + Nhóm bất dục hạt phấn nhuộm mầu: Hạt phấn hình cầu, nhuộm từng phần hoặc nhuộm nhẹ trong dung dịch I - KI 1% Hạt phấn bị thoái hoá ở thời

kỳ 3 nhân Các dòng CMS kiểu BT thuộc loại này

* Đặc điểm di truyền bất dục đực tế bào chất

- Cơ chế gây bất dục đực ở lúa

Cho đến nay, những hiểu biết về cơ chế gây bất dục đực vẫn còn hạn chế, chưa có một kết quả nghiên cứu rõ ràng về cơ sở tế bào học của sự bất dục đực Theo tổng kết của các tác giả (Nguyễn Thị Trâm, 1995; Trần Đình Long, [18], [8], thì cơ chế gây bất dục đực được giải thích theo hai kiểu sau:

+ Kiểu thứ nhất: Được đặc trưng bởi dấu hiệu ngừng phát triển tiểu bào tử

do lớp sắc tố bị thoái hóa nhanh, tầng nuôi bị trương lên và tiểu bào tử bị phân giải Các dòng CMS thuộc kiểu này thường không có hoặc rất ít hạt phấn

+ Kiểu thứ 2: Tiểu bào tử thoái hóa chậm, hay tiểu bào tử thoái hóa ở giai đoạn cuối của quá trình phát triển Dấu hiệu đầu tiên là sự thoái hóa các lớp sắc tố hay tầng nuôi Sau đó mới thấy các tiểu bào tử ngừng phát triển và cuối cùng là các hạt phấn bị thoái hóa hoàn toàn

Có thể quan sát được sự suy thoái quá trình phân hoá mô gỗ trong chỉ nhị bắt đầu từ gai đoạn hình thành tế bào mẹ hạt phấn Hiện tượng suy thoái này gây ảnh hưởng lên quá trình vận chuyển nước và dinh dưỡng qua chỉ nhị cung cấp cho tầng nuôi là nguyên nhân chính gây cản trở các quá trình phân hoá tiếp sau

- Cơ chế hiện tượng phục hồi:

Nhiều nghiên cứu cho rằng hiện tượng bất dục đực là do ty thể không nạp

đủ các enzym hay các cấu phần của enzym do các gen ở nhân điều khiển Các enzym này tham gia vào chu trình hô hấp cung cấp năng lượng cho tế bào liên quan đến sự lép hạt phấn của dòng A (Deng Hongde, 1991) [33] Vì vậy cơ chế phục hồi hữu dục hạt phấn là chấn chỉnh hình dạng và bổ khuyết những khiếm khuyết trong chuỗi hô hấp đưa tới sự phục hồi chức năng của ty thể

đảm bảo cho hạt phấn phát triển bình thường Trường hợp hệ thống phục hồi do đa gen kiểm soát sẽ điều chỉnh số lượng và mức cung cấp năng lượng đảm bảo hạt phấn phục hồi hữu dục ở mức độ khác nhau (Hoàng Tuyết Minh, 2002) [11]

- Cơ chế di truyền tính bất dục, phục hồi hữu dục:

Hiện nay có nhiều quan niệm khác nhau về cơ chế di truyền bất dục đực

tế bào chất, duy trì bất dục và phục hồi hữu dục Về cơ bản có 3 giả thuyết chính: Giả thuyết đơn gen, giả thuyết 2 gen, giả thuyết đa gen (Lê Duy Thành, 2001) [17] Một số tác giả khác đ2 giải thích cơ chế di truyền của bất dục đực

tế bào chất và phục hồi hữu dục theo quan niệm đơn gen như sau:

Bất dục đực tế bào chất là kết quả tương tác giữa gen bất dục đực của tế bào chất (S) với gen phục hồi lặn trong nhân (r), S (Steril) chỉ tế bào chất có

gen bất dục, tế bào chất có gen bình thường là N (Normal), R (Restorer) là

gen phục hồi trong nhân Alen R trội sẽ lấn át alen lặn r và S của tế bào chất

Vì vậy tùy thuộc vào sự có mặt của gen S, R, r hoặc N trong tế bào mà có thể

xảy ra bất dục hay hữu dục (Hu và Li, 1985) [41] Những dòng bất dục đực có kiểu gen là S(rr) Kiểu gen dòng duy trì

bất dục và dòng phục hồi lần lượt là N(rr) và N(RR) hay S(RR) Con lai F1

giữa dòng bất dục tế bào chất và dòng phục hồi sẽ có kiểu gen là: S(Rr),

trong đó alen trội R lấn át alen lặn r và tương tác với S của tế bào chất mà

F1 sẽ hữu thụ (Yuan.LP., 1985, Trần Đình Long, 1997; Lê Duy Thành,

2001;) [85], [17] [8]

2.5.2 Bất dục đực di truyền nhân

Các nhà khoa học đ2 sử dụng đường hướng mới để thay thế dòng bất dục

đực hệ CMS nhằm đơn giản hoá công đoạn sản xuất hạt lai và nâng cao năng

suất lúa lai Đó chính là việc nghiên cứu và sử dụng dòng bất dục đực chức

năng di truyền nhân còn gọi là bất dục đực chịu ảnh hưởng của môi trường

(dòng EGMS)

Tính trạng bất dục đực của các dòng EGMS được kiểm soát bởi một

hoặc 2 cặp gen nhân và không chịu sự kiểm soát của gen trong tế bào chất

Nhiều công bố từ trước đến nay đều cho rằng cặp gen lặn trong nhân kiểm

soát tính trạng bất dục đực nhạy cảm với điều kiện môi trường Khi nghiên cứu

dòng Annong S-1, W6154S (Wu Xiaojin, 1997) đ2 kết luận rằng sự bất dục của các

dòng trên được điều khiển bởi 1 cặp gen lặn trong nhân [75] Tuy nhiên công bố

gần đây của Li Rongbai và Yang Xinqing, Viện Hàn lâm khoa học Nông

nghiệp Quảng Tây (2002) thì có hai gen lặn và một gen trội trong nhân kiểm

soát tính trạng bất dục đực nhạy cảm với nhiệt độ của dòng 91-403S (Trích

theo Hoàng Tuyết Minh [12] Hu và cộng sự (1990) đ2 chỉ ra rằng sự bất dục

đực được điều khiển bởi 2 gen lặn Cả hai cặp gen này ở 6 dòng bất dục được

tạo ra từ Nong ken 58S đều cùng alen với nhau (Hu Xueping, 1990; Wu xiaojin et al, 1990) [40], [74]

2.5.2.1 Các loại bất dục đực di truyền nhân và ứng dụng

Cheng Shihua.C (2000) [32] cho biết các nhà nghiên cứu lúa lai Trung Quốc đ2 phân loại các dòng EGMS dựa theo các căn cứ sau:

- Theo nguồn gốc phân loại: Người ta chia thành kiểu dòng Japonica điển hình là Nongken 58S và kiểu dòng Indica điển hình là Annong S-1 và các dòng khác như 5460S, HennongS…

- Theo phương pháp chọn tạo dòng EGMS: Chọn tạo bằng phương pháp lai tạo, đột biến hay chọn lọc từ các đột biến tự nhiên

- Theo số lượng gen điều khiển tính bất dục: Được chia thành loại dòng EGMS do một gen điều khiển và loại dòng EGMS do 2 gen điều khiển tính bất dục

- Phân loại theo phản ứng với yếu tố môi trường làm chuyển hóa đặc tính bất dục-hữu dục của dòng EGMS: Người ta chia chúng thành kiểu dòng phản ứng với nhiệt độ (TGMS) và phản ứng với chu kỳ chiếu sáng (PGMS)

Trong các cách phân loại trên, cách phân loại dòng EGMS theo phản ứng với yếu tố môi trường làm chuyển hoá tính dục có ý nghĩa hết sức quan trọng

đối với thực tiễn Đây là căn cứ để lựa chọn sự phù hợp, kiểu dòng TGMS hay PGMS trong hệ thống sản xuất lúa lai của các vùng sinh thái khác nhau Để phân loại được các dòng EGMS theo các yếu tố môi trường gây ra bất dục phải

được tiến hành theo hai phương pháp là: Đánh giá trong điều kiện tự nhiên và

đánh giá trong điều kiện nhân tạo Tuỳ theo yêu cầu về độ chính xác ở từng giai

đoạn chọn tạo dòng EGMS và điều kiện cơ sở vật chất để chọn phương pháp áp dụng một cách phù hợp

Các tác giả cho biết trong điều kiện tự nhiên do ảnh hưởng chồng gối lên nhau giữa nhiệt độ và ánh sáng nên rất khó phân biệt được ảnh hưởng của từng yếu tố Do vậy người ta phải thiết lập các chế độ áng sáng và nhiệt độ khác

nhau trong các phytotron, cùng với sử dụng thuật toán thống kê để xác định tác

động riêng rẽ của nhiệt độ, ánh sáng hay tác động tương tác của hai yếu tố nhiệt

độ và ánh sáng đối với sự chuyển hoá tính bất dục - hữu dục hạt phấn của các dòng EGMS Khi thiết lập các thông số xử lý nhân tạo để xác định dòng EGMS thuộc P hay T điều cần quan tâm là: Đặc điểm hữu dục phản ứng với P và T trong các dòng EGMS, điều khác là đặc trưng của điều kiện sinh thái nơi mà các dòng EGMS sẽ được sử dụng (Cheng Shihua, 2000; Sun Z.X, 2000) [32], [66]

2.5.2.2 Bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với môi trường

* Dòng PGMS

Năm 1982 Lu và Wang đ2 gieo dòng Nongken58S, một dòng lúa Japonica chín muộn, nếu phân hóa đòng vào thời kỳ có độ dài chiếu sáng >14 giờ thì bị bất dục; ngược lại sẽ hữu dục nếu thời gian chiếu sáng <13h45 ở nhiều thời vụ khác nhau để tìm hiểu thời kỳ chuyển hóa hữu dục, kết quả cho thấy: Sự chuyển đổi bất dục-hữu dục của Nongken58S xảy ra từ 1-5/9 hàng năm Nếu lúa trỗ trước 1/9 tỷ lệ bất dục của Nongken58S đạt 99,6-100% Nếu lúa trỗ từ 2/9 trở đi tỷ lệ này giảm dần Tính hữu dục của Nongken58S ở giai

đoạn hữu dục là ổn định qua các năm và đạt trên 50% (có lúc đạt 75,1-90% hạt phấn hữu dục), khi đó tỷ lệ kết hạt như bình thường (Lu Xinggui, 1994) [54] Những kết quả nghiên cứu trong phytotron cũng cho kết quả tương tự, người ta kết luận rằng độ dài ngày tới hạn làm cho dòng PGMS trở nên bất dục là 13,75-14,0 h (Mou T.M., 2000) [60]

Nghiên cứu ảnh hưởng của độ dài chiếu sáng và nhiệt độ đến sự chuyển

đổi hữu dục và bất dục của dòng Nong ken 58S người ta thấy trong khoảng nhiệt độ thuận lợi cho sự phát triển của bông lúa thì sự thay đổi độ dài chiếu sáng ảnh hưởng mạnh đến sự bất dục hơn là ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiều tác giả đ2 nghiên cứu hiệu ứng nhiệt độ đối với dòng PGMS cho thấy các dòng PGMS không chỉ có độ dài ngày tới hạn mà còn có nhiệt độ tới

hạn cho sự biến đổi bất dục, hữu dục Nhiệt độ tới hạn đối với dòng PGMS quan trọng hơn so với độ dài ngày tới hạn Sự biến đổi nhiệt độ có thể làm thay đổi sự bất dục của dòng PGMS được trồng dưới điều kiện ngày dài Dưới

điều kiện ngày ngắn, sự hữu dục của dòng PGMS phản ứng mạnh với sự thay

đổi của nhiệt độ và có sự tác động qua lại giữa dòng và nhiệt độ [76], [77], [78] Mou T.M và một số tác giả khác cũng công bố rằng PGMS bất dục hoàn toàn trong điều kiện tổ hợp của ngày dài cùng với nhiệt độ cao và hữu dục ở

điều kiện tổ hợp của ngày ngắn cùng với nhiệt độ thấp Tuy nhiên khi nhiệt

độ <240C, độ dài ngày >14h hoặc khi nhiệt độ >260C, độ dài ngày <14h chúng hữu dục hoặc hữu dục từng phần Khi nhiệt độ >300C biểu hiện của tính cảm quang biến mất, chúng bất dục trong cả điều kiện ngày dài hoặc ngày ngắn [60]

Chu kỳ chiếu sáng bao gồm chất lượng ánh sáng là nhân tố môi trường chính liên quan đến sự hữu dục hạt phấn Sự biến đổi hữu dục được gây ra bởi chất lượng khác nhau của chu kỳ chiếu sáng có ý nghĩa hơn so với sự biến đổi này gây ra bởi nhiệt độ (Xue và cộng sự, 1990) [77]

Thời kỳ mẫn cảm với độ dài ngày của các dòng PGMS xảy ra vào bước phát triển thứ 3 đến thứ 5 của đòng tức là khoảng 23-15 ngày trước khi trỗ (Yuan L.P., 1993; Cheng S.H., 2000) [89], [32] Pha nhạy cảm của Nongken58S cho biến đổi hữu dục xảy ra từ giai đoạn bắt đầu hình thành bông tới giai đoạn hạt phấn đơn nhân (khoảng 25-7 ngày trước khi trỗ), giai đoạn nhạy cảm nhiệt độ nhất là giai đoạn hình thành nhị và nhụy tới giai đoạn phân bào giảm nhiễm (Mou T.M , 2000) [60] Khi gen bất dục dực của dòng Nongken58S được chuyển vào nền di truyền khác nhau của các dòng giống lúa có kiểu hình sinh thái khác nhau, các dòng PGMS mới có độ dài ngày tới hạn khác nhau Hầu hết những dòng PGMS Japonica có độ dài tới hạn từ 13,75 đến 14,00 h cũng giống như Nongken58S, các dòng PGMS Indica có

độ dài ngày tới hạn tương đối ngắn từ 13,00 đến 13,25 h

Hua Zetian và cộng sự (1990) xử lý ánh sáng các dòng PGMS Indica và Japonica cho thấy có sự khác nhau rất lớn về sự biểu hiện gen bất dục đực giữa các giống Indica và Japonica (Hua zetian et all, 1990) [39] Như vậy có thể phát triển các dòng PGMS có độ dài ngày tới hạn khác nhau nhằm đáp ứng được nhu cầu trong các vùng sinh thái khác nhau

Các nhà khoa học Trung quốc, Nhật Bản, Viện lúa quốc tế (IRRI) và ấn

Độ đ2 xác định được 3 gen kiểm soát tính trạng bất dục đực nhạy cảm với thời gian chiếu sáng-PGMS (pms1, pms2, pms3), các gen này nằm trên các nhiễm sắc thể tương ứng là 7, 3 và 12 Trongđó hiệu quả của gen pms1 được xác định

là lớn gấp 2-3 lần gen pms2 (Hoàng Tuyết Minh, 2005) [12]

Các nhà khoa học đ2 xác định được các chỉ thị phân tử liên kết với các gen bất dục nhạy cảm với môi trường Locus pms1 ở giữa chỉ thị phân tử RG477 và R6511, ở vị trí 3,5 đơn vị tái tổ hợp từ R6477 và 15 đơn vị tái tổ hợp từ R6511 Locus pms2 ở giữa chỉ thị RG191 và RG348 Mei và cộng sự (1999) đ2 xác định gen pms3 được lên kết với chỉ thị C751 và R2708

Ngược lại với kiểu bất dục trên, các nhà khoa học đ2 phát hiện ra kiểu bất dục mới được gây bởi ngày ngắn, nhiệt độ thấp và hữu dục ở nhiệt độ cao, ngày dài Dòng trên được đặt tên là là Yi-D1S Chúng được tạo ra bằng cách lai giữa B-3 (Indica) và Honggen (Japonica) (Gao và cộng sự, 1991) [32] Dòng này

được trồng ở Quảng Châu (23008') hữu dục từ 16/9 và chuyển hóa bất dục từ 29-30/9

* Dòng TGMS

Sự chuyển hóa bất dục- hữu dục của dòng TGMS chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ Giai đoạn làm đòng, nhiệt độ cao gây bất thụ (t0 >25-300C), nhiệt độ thấp (t0< 240C) gây hữu dục hoặc hữu dục từng phần ánh sáng không ảnh hưởng đến sự thay đổi tính dục của chúng Các dòng AnnongS, HengnongS, 5460S được chọn tạo ở Trung Quốc thuộc loại này Nhưng vài dòng bắt nguồn

từ Nongken58S như là W6154S, GD1S… mặc dù tính hữu dục chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng vẫn có ảnh hưởng yếu lẫn nhau giữa nhiệt độ và ánh sáng Kiểu này của EGMS được xem như là dòng TGMS từ cách nhìn nhận thực tế (Mou T.M., 2000) [60]

Các dòng TGMS khác nhau thì có ngưỡng nhiệt độ chuyển hóa không giống nhau Các nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Quốc và một số nước khác trên thế giới đ2 cho thấy nhiệt độ chuyển hóa của các dòng TGMS rất khác nhau tùy thuộc vào bản chất gen của mỗi dòng Dựa vào ngưỡng phản ứng với nhiệt độ, các dòng TGMS có thể được xếp vào 3 nhóm sau:

Nhóm dòng có ngưỡng chuyển hóa nhiệt độ thấp: Đại diện cho nhóm này là các dòng Peiai64S, 735S, HN5-2S, 8906S, K14S…(Lu X.G., ZhangZ.G , Maruyama K., Virmani S.S., 1994) [55] Ngưỡng nhiệt độ chuyển hóa bất dục- hữu dục của nhóm này khoảng 23,50C Vì vậy nhóm này có đặc tính bất dục tốt, ổn định và an toàn trong sản xuất hạt lai Tuy nhiên khả năng nhân dòng TGMS là khó khăn và thường đạt năng suất thấp

Nhóm dòng TGMS có ngưỡng nhiệt độ chuyển hóa hữu dục cao (260C): Các dòng bất dục nhóm này dễ duy trì và thường đạt năng suất cao Đại diện nhóm này là các dòng: 8902S; 5047S; ShuangS… Nhóm này rất khó sử dụng trong sản xuất

Nhóm dòng có ngưỡng nhiệt độ cao gây hữu dục và nhiệt độ thấp gây bất dục Sự chuyển hóa hữu dục của nhóm này được gây ra bởi độ dài chiếu sáng trong một khoảng nhiệt độ ở thời kỳ phản ứng ánh sáng, trong điều kiện

tự nhiên chúng hầu như bất dục hoàn toàn Đại diện cho nhóm này gồm các dòng: W6154S, W7415S, 8801S…(Pan Xigan, 1990) [61] Trong nhóm này cũng có các dòng chỉ mẫn cảm với nhiệt độ (Dianxin1A, IVA, DiannongS-1) Khi nhiệt độ thấp hơn 240C thì chúng bất dục và nhiệt độ cao hơn 260C chúng hữu dục (Jiang Yiming, 1997) [43]

Nghiên cứu về bản chất di truyền của sự thay đổi nhiệt độ tới hạn cho bất dục phấn Wu và cộng sự cho biết nhiệt độ chuyển hóa thấp là tính trạng trội,

được kiểm soát bởi 2 gen trội L1, L2 Hai gen này có khả năng làm giảm ngưỡng nhiệt độ chuyển hóa bất dục của dòng TGMS Annong S-1 [12] Vì vậy tùy thuộc vào kiểu gen của dòng TGMS khác nhau mà chúng duy trì nhiệt độ tới hạn gây bất dục khác nhau (23-290C) Ngoài ra còn một số dòng TGMS nghịch: Hữu dục trong điều kiện nhiệt độ cao và bất dục trong điều kiện nhiệt độ thấp

Giai đoạn mẫn cảm với nhiệt độ của các dòng TGMS khác nhau cũng khác nhau do nguồn gen và cơ sở di truyền của từng dòng quyết định (Borkakati R.P., 1997) [29] Nhiều nghiên cứu cho thấy giai đoạn nhạy cảm của dòng TGMS từ giai đoạn 16 ngày đến 3 ngày trước trỗ

So sánh giai đoạn nhạy cảm nhiệt độ của các dòng PGMS và TGMS các nhà khoa học kết luận rằng giai đoạn nhạy cảm của PGMS bắt đầu sớm hơn so với dòng TGMS và giai đoạn nhạy cảm nhiệt độ của dòng PGMS dài hơn so với dòng TGMS (Mou T.M., 2000) [60]

Các nhà khoa học cũng xác định có 5 gen ký hiệu là tms1, tms2, tms3, tms4(t), tms5 kiểm soát tính trạng bất dục đực nhạy cảm với nhiệt độ Gen tms1 phát sinh nhờ đột biến tự nhiên, do Sun và cộng sự (1989), Yang và cộng

sự (1992) phát hiện ở giống lúa IR54, gen này nằm trên nhiễm sắc thể thứ 8 Gen tms2 do Maruyama và cộng sự (1991) tạo ra bằng phương pháp đột biến tia Gamma ở giống lúa Reimei, gen này nằm trên nhiễm sắc thể số 7 Gen tms3 do Virmani (1993) và Subudhi và cộng sự (1995) tạo ra bằng phương pháp đột biến tia gamma ở giống lúa IR32364 nằm trên nhiễm sắc thể số 6 (Lê Duy Thành, 2001) [17]

Yamaguchi và cộng sự đ2 phát hiện ra sự liên kết của chỉ thị phân tử với gen tms2 Các tác giả nghiên cứu locus tms2 bằng phương pháp sử dụng chỉ thị phân tử (RFLP) ở một quần thể F2 của tổ hợp lai Norin PL12 và giống

Dular Kết quả cho thấy gen tms2 ở vị trí giữa chỉ thị R643 và R1440 trên nhiễm sắc thể thứ 7 Sử dụng kỹ thuật SSR (Simple sequence repeat) đ2 xác

định chỉ thị phân tử RM11 liên kết chặt với gen tms2 định vị trên nhiễm sắc thể số 7

Ngoài 2 kiểu bất dục chính TGMS và PGMS, còn tồn tại các kiểu T(P)GMS và P(T)GMS, có nghĩa là các dòng này mẫn cảm với cả nhiệt độ và thời gian chiếu sáng Đối với dòng T(P)GMS mẫn cảm với nhiệt độ nhiều hơn, ngược lại dòng P(T)GMS mẫn cảm với độ dài ngày mạnh hơn Khi lai tạo các dòng bất dục đực chức năng thường được các dòng P(T)GMS hoặc T(P)GMS mới [18]

2.5.2.3 Trôi dạt di truyền khi sử dụng các dạng bất dục đực mẫn cảm với môi trường và vấn đề sản xuất hạt SNC dòng TGMS

Tính ổn định bất dục ở dòng bất dục đực cảm ứng với nhiệt độ và quang chu kỳ (dòngP(T)GMS) lần đầu tiên được các nhà khoa học Trung Quốc nghiên cứu từ năm 1990 Nghiên cứu sự ổn định về tính dục của 89 dòng P (T)GMS khác nhau trong điều kiện nhân tạo Kết quả cho thấy: Sau các chu

kỳ nhân, các dòng P(T)GMS đều có sự trượt ngưỡng nhiệt độ gây bất dục Cụ thể dòng Peải 64S khi xử lý nhiệt độ nhân tạo 23,30C năm 1991 thì có tỷ lệ hạt tự thụ là 0% nhưng sau một số chu kỳ nhân ngưỡng nhiệt độ gây bất dục

đ2 tăng lên Khi xử lý nhiệt độ nhân tạo 24,20C vào năm 1993 thì cho tỷ lệ hạt phấn hữu dục là 2,46% Theo dõi ngoài sản xuất các nhà khoa học Trung Quốc cũng nhận thấy dòng Hươngnong S khi được đánh giá vào năm 1989 theo tiêu chuẩn của tỉnh Hồ Nam có sự thay đổi tính bất dục chỉ ở một số ít

địa phương, tuy nhiên đến năm 1993 thì dòng này đ2 không duy trì được tính

ổn định về bất dục và bị thất bại khi sản xuất trên diện rộng Từ đó các nhà khoa học Trung quốc cho rằng nếu không có áp lực chọn lọc thì các dòng P(T)GMS sẽ tăng ngưỡng nhiệt độ gây bất dục theo các thế hệ nhân (Deng Qiyun et al, (1997)), [34]

Qua thực tiễn sản xuất ở các nước, các nhà khoa học đều có nhận xét chung là: dòng EGMS nói chung, dòng TGMS nói riêng khi chúng sinh trưởng phát triển trong điều kiện tự nhiên đều chịu sự tác động trực tiếp của điều kiện ngoại cảnh nên thường phát sinh các biến dị thích ứng Các kết quả nghiên cứu cho thấy ngưỡng chuyển hoá tính dục của hạt phấn thường bị "trôi dạt di truyền" (genetic drift) theo su hướng tăng cao dần theo thế hệ nhân Do đó để sản xuất và sử dụng dòng TGMS an toàn, đạt hiệu quả cao thì việc duy trì sự

ổn định tính dục là cần thiết Để thực hiện việc đó, các nhà khoa học đ2 đưa ra các qui trình phục tráng và nhân dòng TGMS như sau [34], [98], [21]

a Phương pháp do Deng Qiyun, Fu Xinqin, Yuan LongPing đề xuất năm 1997:

Chọn cá thể điển hình (đúng nguyên bản về hình thái) Xử lý nhiệt độ thấp bằng ngưỡng nhiệt độ gây bất dục để chọn cá thể bất dục hoàn toànNhân gốc cá thể bất dục đ2 chọn theo hệ vô tính và thu hạtSản xuất hạt giống tác giảSản xuất hạt nguyên chủng đồng thời kiểm tra lại ngưỡng nhiệt độChuyển sang sản xuất hạt lai F1

b Phương pháp do Zhou C.S, 2000 đưa ra:

- Vụ thứ 1: chọn cá thể điển hình trên đồng ruộng (điều kiện 240C ở thời

kỳ cảm ứng) chọn cá thể bất dục cao trên 99,5%

- Vụ thứ 2: Xử lý các cá thể được chọn trong điều kiện nhân tạo 230C để chọn cá thể bất dục cao trên 99,5%

- Vụ thứ 3: Tiếp tục xử lý các cá thể được chọn trong điều kiện nhân tạo ở

220C chọn cá thể bất dục trên 99,5% Nhân gốc các cá thể được chọn theo hệ vô tính Thời kỳ cảm ứng điều khiển cho nhiệt độ thấp hơn 220C để thu hạt tác giảNhân tiếp ra hạt nguyên chủngChuyển sang sản xuất hạt lai

c Phương pháp của Yin hua Qi:

Chọn các cá thể điển hình, xử lý các cá thể được chọn trong điều kiện nhân tạo, nhiệt độ 240C ở 2 giai đoạn: (1) Bước 3 phân hoá đòng, xử lý 4 ngày, (2) Bước 5 phân hoá đòng, xử lý 4 ngày Chọn cá thể bất dục hoàn toàn Nhân vô tính các cá thể bất dục được chọn, thu hạt giống gốcNhân hạt tác giảSản xuất hạt nguyên chủngChuyển sang sản xuất hạt lai

d Trình tự chọn dòng TGMS của các nhà khoa học thuộc trường ĐHNNI như sau:

- Vụ thứ nhất (vụ mùa ở miền Bắc Việt Nam): Gieo cấy thưa dòng TGMS cần chọn Chọn 100 - 200 cá thể có kiểu hình đẹp (đúng nguyên bản) Cho lúa phân hoá từ bước 4 - 6 ở điều kiện nhiệt độ cao, khi lúa trỗ, kiểm tra hạt phấn trên kính hiển vi Đánh dấu những cá thể bất dục phấn 100%, bao các bông đ2 kiểm tra hạt phấn để đánh giá lại độ bất dục thông qua tỷ lệ đậu hạt tự thụ Các cá thể bất dục hoàn toàn, không đậu hạt trong bao cách ly bứng gốc trồng vào chậu, chăm sóc cẩn thận Khi lúa trỗ lại tiến hành kiểm tra hạt phấn, chọn những hệ vô tính bất dục hoàn toàn, loại bỏ những hệ còn 1-2 hạt phấn nhuộm mầu Các dòng được chọn cắt bỏ bông, tiếp tục nhân vô tính Làm như vậy khoảng 3 - 4 lần đợi chét phân hoá vào mùa đông để thu hạt tự thụ và chuyển sang vụ sau nhân nguyên chủng

2.5.2.4 Phương pháp đánh giá ngưỡng và chọn lọc khống chế sự "trượt" ngưỡng

điều kiện tự nhiên và điều kiện nhân tạo

* Phương pháp đánh giá các dòng EGMS trong điều kiện tự nhiên: