chọn giống khoai tây

Vì vây, để phát triển mạnh cây khoai tây, cần phải đẩy mạnh công tác chọn tạo giống nhằm làm cho bộ giống khoai tây trồng ngày càng phong phú hơn, với nhiều giống ưu việt về năng suất, c

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÂY KHOAI TÂY

1.1.2 Nguồn gốc, phân loại và lịch sử phát triển

Khoai tây (Solanum tuberosum L.) có nguồn gốc từ Vùng cao thuộc

dãy núi Andes, Nam Mỹ nơi mà nó đã là nguồn lương thực chính cho người bản xứ hàng ngàn năm (Stevenson và các đồng tác giả, 2001) Theo Hawkes (1994) [42], các di vật khảo cổ của khoai tây đã được xác định bằng các bon phóng xạ chứng tỏ khoai tây đã được trồng trọt từ cách đây 7 000 năm và dường như chắc chắn rằng khoai tây đã được thuần hóa từ trước thời gian đó, nhưng hiện tại, chưa có thông tin nào chúng minh cho giả định này Gần đây, có bằng chứng cho thấy rằng khoai tây đã được thuần hóa từ cách đây 10 000 năm ở vùng gần hồ Titicaca, thuộc biên giới giữa Bolivia và Peru nơi mà sự đa dạng lớn nhất về các loài khoai tây dại ngày nay được phát hiện (Stevenson và các đồng tác giả, 2001) [76]

Người ta đã xác định rõ ràng là, có hai lần khoai tây du nhập vào châu

Âu, đầu tiên là vào Tây ban nha năm 1570 và lần thứ hai là vào Anh quốc năm 1590 Điều thú vị đáng ghi nhớ là ở chỗ, những cây khoai tây đầu tiên ở châu Âu là cây ra củ trong điều kiện ngày ngắn, 12 giờ, ở vùng núi Andes và không phải là khoai tây của chúng ta ngày nay, ra củ trong điều kiện ngày dài

ở châu Âu Khoai tây đầu tiên ở châu Âu thuộc loại thích nghi với ngày ngắn, ra củ vào thời gian từ tháng 12 đến tháng 1 hàng năm ở những khu vực không có tuyết rơi thuộc miền nam Tây Ban Nha và Italia Những loại khoai

tây này thuộc dạng khoai tây tứ bội thể Andean (Solanum tuberosum L subsp andigena), chúng đã cần phải có tới một vài thế kỷ trải qua chọn lọc

không có ý thức để thích nghi với các điều kiện ngày dài ở Bắc Âu Do đó, cho mãi tới cuối thế kỷ 18 và đầu thế kỷ 19 sự thích nghi với ngày dài mới được hoàn chỉnh, như vậy cho phép việc trồng khoai tây trên quy mô đồng ruộng lan truyền tới Trung Âu và Đông Âu (Hawkes, 1994) [42] Tuy nhiên,

chính xác nơi trồng khoai tây đầu tiên và các chi tiết cụ thể về việc du nhập khoai tây vào châu Âu là những vấn đề hãy còn tranh luận

Khoai tây đầu tiên ở Bắc Mỹ được tiếp nhận từ Bermuda vào năm

1691, nơi mà nó được trồng với nguồn nhập khẩu từ Anh quốc năm 1613 Các nhà truyền đạo đã đưa khoai tây vào Ấn độ và Trung quốc trong thể kỷ 17 Khoai tây đã được đưa vào Nhật bản và các vùng của châu Phi cũng vào khoảng thời gian đó Khoai tây đã xuất hiện ở New Zealand năm 1769 Như vậy, cho tới thế kỷ 16, với giới hạn nằm ở châu Mỹ, sau khoảng 300 năm, khoai tây đã trở thành một trong những cây trồng quan trọng nhất của thế giới (Hawkes, 1994) [42] Trong họ cà (Solanaceae), cây khoai tây được xem như là một cây trồng quan trọng nhất, sau nó là các cây trồng khác cũng thuộc họ cà như thuốc lá,

cà chua, ớt và cà (Salazar, 1996) [69]

Cây khoai tây có đặc tính là một cây trồng của các vùng lạnh, ôn đới hoặc Vùng cao nhiệt đới (1 000 m cao trở lên so với mặt biển) Khoai tây trồng có thể được phân loại thành một số loài và các thể lai thuộc họ cà (Solanaceae), phân chi (section) Tubearium có chứa xấp xỉ 160 loài có củ Trên phạm vi thế giới, hầu hết khoai tây trồng phổ biến là tứ bội thể

(tetraploids) Solanum tuberosum L được chia thành hai nhóm hữu thụ hoàn toàn (Tuberosum và Andigena) hoặc hai loài phụ (tuberosum và andigena) Solanum subgroup Andigena được trồng phổ biến và thích hợp nhất trong

các điều kiện ngày ngắn ở gần xích đạo (Stevenson et al., 2001) [76]

1.3 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT KHOAI TÂY Ở VIỆT NAM

Năng suất khoai tây ở Việt Nam trong những năm gần đây có đã được nâng cao hơn trước, nhưng diện tích khoai tây lại bị giảm dần theo thời gian Trong tổng diện tich 31 000 ha trồng khoai tây của cả nước năm 2005, ước tính, Đồng bằng Bắc bộ chiếm khoảng 90% (27 900 ha), các tỉnh miền núi phía Bắc khoảng 6% (1 860 ha) và Lâm Đồng (Đà Lạt, Đức Trọng, Đơn

Dương v.v…) chiếm khoảng 4% (1 240 ha) Ở các tỉnh miền núi phía Bắc, riêng Lạng Sơn hàng năm có trên 1000 ha khoai tây Hiện nay, Việt Nam có khoảng gần triệu dân, theo dự báo dân số của Tổng cục thống kê (Tổng cục thống kê, 1994), năm 2024, dân số Việt Nam sẽ đạt tới khoảng 100 triệu người Với áp lực dân số ngày càng tăng, tốc độ đô thị hóa và công nghiệp hóa cao, các tác động tiêu cực của sự biến đổi khí hậu đối với sản xuất lúa, nguy cơ khủng hoảng lương thực toàn cầu, chắc chắn rằng nhu cầu sản xuất

và tiêu thụ khoai tây ăn tươi nói chung và khoai tây chế biến nói riêng ở Việt Nam sẽ ngày càng tăng

Những năm gần đây, hàng năm Việt Nam vẫn phải nhập khá nhiều khoai tây ăn từ Trung quốc để làm thực phẩm và để làm vật liệu trồng với tổng lượng nhập khẩu ước tính khoảng 100 000 tấn/năm Hơn nữa, Việt Nam còn nhập khẩu khoai tây chế biến từ Mỹ và một số nước khác ở dạng khoai tây rán (french fried) để làm thực phẩm

Vì vây, để phát triển mạnh cây khoai tây, cần phải đẩy mạnh công tác chọn tạo giống nhằm làm cho bộ giống khoai tây trồng ngày càng phong phú hơn, với nhiều giống ưu việt về năng suất, chất lượng (ăn tươi và chế biến), khả năng chống chịu sâu bệnh và các điều kiện ngoại cảnh bất thuận như nóng và khô hạn Trong đó, việc chọn tạo giống khoai tây năng suất cao, chống chịu sâu bệnh tốt, có chất lượng cao thích hợp với công nghiệp chế biến là rất quan trọng Điều quan trọng đặc biệt nữa là cần phải xác định được vùng sinh thái nông nghiệp có các điều kiện tự nhiên thích hợp với sản xuất khoai tây giống, nhằm góp phần đẩy mạnh sản xuất khoai tây giống để

có nguồn khoai tây giống có chất lượng tốt và giá cả hợp lý với khối lượng lớn ngày càng tăng Từ đó, góp phần không ngừng nâng cao năng suất khoai tây, làm cho sản xuất khoai tây có hiệu quả kinh tế ngày càng cao, thúc đẩy sản xuất khoai tây ngày càng phát triển

2) Đặc điểm sinh học:

2.1 Tổng quan

Đời sống khoai tây có thể chia làm 4 thời kì: thời kì ngủ, thời kì nảy mầm, thời kì hình thành củ và thời kì củ phát triển

 Thời kì ngủ: củ khoai tây sau khi thu hoạch phải được cất giữ một thời gian dài sau đó mới nảy mầm được, người ta gọi đây là thời kì ngủ của củ khoai tây Thời gian ngủ của khoai tây phụ thuộc vào đặc điểm của giống, điều kiện sinh thái vùng trồng, kĩ thuật canh tác và điều kiện bảo quản

 Thời kì nảy mầm: sau một thời gian ngủ những mắt củ trên củ khoai tây

có khả năng phát triển thành cây mầm Cây mầm phát triển thành thân lá và thành cây khoai tây thế hệ mới

 Thời kì hình thành thành củ: cây khoai tây con sau khi phát triển vượt lên khỏi mặt đất từ 7-10 ngày thì trên các đốt thân nằm dưới mặt đất xuất hiện những nhánh con, đó chính là những nhánh thân địa sinh Nhánh địa sinh có màu trắng và mọc thẳng, đầu cuối của nhánh thường phình to tạo thành những đoạn thân ngầm, khi phát triển đến mức độ nhất định thì ngừng phát triển về chiều dài, chất dinh dưỡng tập trung vận chuyển đến các đọan thân ngầm này và chúng phình to lên tạo thành củ khoai tây ở đầu mút thân địa sinh

 Thời kì phát triển củ: sau khi cây sinh trưởng được 20-25 ngày thì các chất dinh dưỡng tập trung vào các đầu chóp của thân địa sinh, bộ phận này của thân địa sinh bắt đầu phình to lên Ở những nơi có nhiều nắng vào thời gian này cây hình thành hoa và hoa bắt đầu nở, đây chính là lúc thân địa sinh phát triển mạnh nhất

2.2) Các đặc điểm khác

1) Rễ khoai tây phân bố chủ yếu ở tầng đất sâu 30cm

2) Thân khoai tây là loại thân bò, có giống thân đứng Thân dài 50- 60cm, trên thân có thể mọc các nhánh

3) Lá kép gồm 1 số đôi lá chét, thường là 3-4 đôi

4) Hoa màu trắng, phớt tím, có 5-7 cánh, hoa lưỡng tính, tự thụ phấn

5) Quả khoai tây tròn hoặc hơi dẹt, nhỏ, màu xanh nhạt hoặc tím, trong quả chứa hạt nhỏ, hạt màu vàng, trong đó có nhiều dầu

3) CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CHỌN TẠO GIỐNG KHOAI TÂY TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

4) Chọn giống cây khoai tây

4.1 Phương pháp chọn giống truyền thống

4.1.1 Lai hữu tính thông qua phương pháp chọn lọc theo chu kỳ (recurrent selection)

Lai hữu tính là phương pháp được ứng dụng vào chọn giống khoai tây sớm nhất Ngày nay, cùng với nhiều kỹ thuật chọn giống hiện đại, lai hữu tính vẫn đang và sẽ là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất

Trong đó, phương pháp chọn lọc theo chu kỳ thường được áp dụng Phương pháp chọn lọc theo chu kỳ được khái niệm như sau, “chọn lọc theo chu kỳ được sử dụng để làm tăng cường các đặc tính di truyền số lượng theo

hệ thống đa gene Một quần thể biến dị được tạo ra và được chọn lọc theo các đặc tính mong muốn Các dòng được chọn thường được lai với nhau để tạo ra nền tảng cho chu kỳ chọn lọc kế tiếp Việc lai tạo và chọn lọc như vậy thường được thực hiện trong một số chu kỳ Sự đa dạng về di truyền được bảo tồn theo phương pháp này Ví dụ, nó có thể được áp dụng để tạo ra một quần thể với hàm lượng chất khô cao” (Beukema và Vander Zaag, 1990)

Trong giai đoạn 1986-89, đề tài chọn tạo giống khoai tây áp dụng phương pháp chọn lọc theo chu kỳ đã được áp dụng thành công ở Philippines với việc tạo ra được ít nhất là 2 giống khoai tây mới Một là Igorota (còn được gọi là PO3), đã và đang được trồng rộng rãi ở Philippines và Việt Nam (Lâm Đồng) và hai là Cooperation 88 (Hợp tác 88), đã và đang được trồng rất rộng rãi ở vùng Tây Nam Trung Quốc (Vân Nam, Quí Châu và Tứ Xuyên)

Trong phương pháp này, mỗi dòng được chọn vừa là dòng bố vừa là dòng mẹ Người ta thu hỗn hợp hạt phấn trộn lại và thụ phấn cho dòng mẹ Thu hạt từng dòng và chọn lọc ở chu kỳ tiếp theo

Một quy trình đơn giản có thể tóm tắt như sau:

+Ở cả hai chu kỳ (hai thí nghiệm), việc lai tạo giống đã được tiến hành bằng cách trồng các cây bố mẹ trên các bồn đất (với tầng đất dày 25 cm) trong nhà lưới, luống trồng rộng 125 cm, trồng hàng kép, hàng cách hàng 45

cm, cây cách cây 40 cm

+ Phân được bón ở mức 30 tấn phân chuồng hoai, 240 kg N, 150 Kg P2

¬¬O5, 150 Kg K2O cho 1 ha bằng cách bón lót 100% luợng phân chuồng

và phân lân, 50% phân kali, 25% phân đạm, bón thúc 50% phân kali (một lần) và 75% luợng phân đạm còn lại (chia làm 3 lần bằng nhau)

+ Để các cây bố mẹ sinh trưởng và phát triển được thuận lợi, các cây khoai tây đã được làm giàn đỡ thân lá bằng trúc

+ Việc phòng trừ sâu bệnh đã được tiến hành một cách hợp lý theo yêu cầu cần thiết

+ Việc thu hoa, lấy hạt phấn, trộn hạt phấn, và thụ phấn lai tạo đã được tiến hành từ khi các cây bố mẹ bắt đầu ra hoa (45 ngày sau trồng) đến khi các cây kết thúc ra hoa (75 ngày sau trồng)

+ Hoa được thụ phấn vào khoảng từ 8 đến 10 giờ sáng hàng ngày

+ Để chuẩn bị cho việc thụ phấn vào các buổi sáng hàng ngày, các hoa sắp nở được khử đực vào khoảng 5 giờ chiều ngày hôm trước Một phần trong tổng số các hoa nở trong ngày được thu hoạch trong vòng buổi sáng hàng ngày để lấy hạt phấn

+ Sau khi thu hoạch hoa, hoa được rải đều trên mặt báo để trên mặt bàn

ở trong phòng thí nghiệm khoảng 6 tiếng Sau đó rây lấy hạt phấn của từng dòng để riêng, hạt phấn của các dòng được trộn lẫn với nhau (theo từng nhóm dòng chống bệnh virus hoặc chống bệnh mốc sương) trước khi thụ phấn

+Các qủa lai đã được thu hoạch ở thời kỳ từ 50 đến 60 ngày sau khi thụ phấn Sau khi thu hoạch, các quả lai được để ở nhiệt độ trong phòng 2 tuần Các hạt lai của từng tổ hợp theo tên dòng mẹ đã được vắt ép từ quả vào các bát nước sạch, ngâm ủ trong thời gian 24 tiếng sau đó rửa sạch, gạn lọc, phơi khô trong phòng thí nghiệm và bảo quản ở nhiệt độ trong phòng

+Từ đó, theo từng thời vụ, các tổ hợp hạt lai được gieo trồng để chọn lọc ra các dòng có triển vọng

4.1.2 Chọn tạo giống ở mức tứ bội thể

Các loài khoai tây trồng hiện tại thường là dạng tứ bội thể, đặc biệt là tuberosum và andigena

Trên phạm vi thế giới, chọn tạo giống khoai tây hãy còn phần lớn là theo lối kinh nghiệm và không hiện đại về mặt di truyền, bằng cách chủ yếu dựa vào chọn lọc theo chu kỳ (recurrent selection) theo kiểu hình

Cho đến ngày nay, chọn tạo giống khoai tây ở mức tứ bội thể là một cách khả thi nhất trong tương lai gần (Bradshaw và Mackay, 1994)

Chọn lọc theo chu kỳ đã được áp dụng nhiều trong chương trình chọn tao giống khoai tây tại Trạm Chọn tạo giống Cây trồng Scotlands và Viện Nghiên cứu Cây trồng Scottlands Từ năm 1920 đến nay, có tới 72 giống

khoai tây đã được tạo ra trong chương trình chọn tạo giống này (Bradshaw, 2009)

Mục đích: cải tiến quần thể khoai tây hiện tại từ các giống trồng hiện có

4.1.3 Chọn tạo giống ở mức nhị bội thể

Hầu hết các loài khoai tây dại có củ (ở mức tiến hóa cao hơn) là những thể nhị bội (diploids), những nguồn di truyền đa dạng chống bệnh, sâu hại và các điều kiện bất lợi về môi trường Các con lai của chúng với các thể lưỡng bội (dihaploids) thường thích nghi với các điều kiện ngày dài và sẽ hình thành củ Nếu chúng cũng tạo ra các giao tử 2n bằng sự bồi hoàn lại sự phân chia ban đầu (FDR), sự đa dạng di truyền của loài khoai tây dại có thể được chuyển một cách có hiệu quả vào dạng khoai tây trồng tứ bội thể và kết quả

là khoảng 25% các gene của các loài khoai tây dại có ở sản phẩm cuối cùng

Một số các con lai tứ bội thể này đã là vượt trội hơn các giống trồng tứ bội thể cả về năng suất tổng số và năng suất thương phẩm, nói chung là tạo

ra nhiều củ trên cây hơn nhưng khối lượng trung bình củ lại thấp hơn một chút (Carroll và De Maine, 1989)

Mục đích chủ yếu của các công trình nói trên là để cải tiến nguồn vật liệu nhị bội thể chưa thích nghi tới mức mà ở đó nó có thể được lai với Tuberosum tứ bội thể và tạo ra vật liệu có thể làm giống trồng Các chương trình chọn tạo giống chống bệnh mốc sương, chống bệnh virus và chịu nhiệt của CIP từ các nhị bội thể tại Huancayo, Peru đã và đang đi theo hướng này

Có thể nói rằng, rõ ràng có phạm vi rộng lớn để so sánh về mặt lý thuyết hơn nữa về các chiến lược và phương pháp khác nhau để khai thác các nhị bội thể cho việc cải tiến khoai tây tứ bội thể

4.2 Chọn giống theo hướng hiện đại

Hầu hết các chuyên gia đồng ý rằng, các phương pháp dựa trên nền tảng công nghệ sinh học sẽ bổ sung, bằng cách tăng thêm các công cụ cho các nhà chọn tạo giống, nhưng không phải là thay thế các phương pháp chọn tạo giống truyền thống (Bradshaw và Mackay, 1994)

4.2.1 Dung hợp tế bào trần

Việc sử dụng nhiều hơn các loài khoai tây dại trong chọn tạo giống thường gặp những cản trở đối với lai hữu tính Để vượt qua những trở ngại

đó, người ta dùng những kỹ thuật như dung hợp soma (somatic fusion), các gene mong muốn được chuyền một cách nhanh chóng vào nguồn gene thích ứng bằng việc chuyền gen từ loài khoai tây này sang loài khoai tây khác (introgression) và bằng chọn tạo giống ở mức nhị bội thể

Dung hợp tế bào trần cũng còn được gọi là dung hợp soma, là một kiểu

tổ hợp gene ở thực vật, trong đó hai loài thực vật khác nhau hoặc hai giống trong cùng một loài được dung hợp với nhau để hình thành nên một cây mới, với các đặc tính của cả hai loài hoặc hai giống

Thuận lợi:

+ Các biến thể mới lạ có thể xuất hiện

+ Các tần số thay đổi có thể là cao

+ Những thay đổi hữu ích về mặt nông học có thể xuất hiện

+Các thay đổi có thể diễn ra ở dạng đồng hợp tử

+Cuối cùng có thể chọn được ra giống mới

Tuy nhiên, có một số điều không thuận lợi:

+ Với biến dị dòng soma, bao gồm bản chất không thể kiểm soát được

và không thể đoán trước được của nó và ở chỗ là, hầu hết các biến dị không được sử dụng rõ ràng, sự biến dị là tùy thuộc vào giống, không phải tất cả mọi sự thay đổi là ổn định và có thể được di truyền, sự thay đổi diễn ra ở

những tần số biến động và hầu hết biến dị không phải là điều mới lạ (Kumar, 1994)

Phương pháp dung hợp tế bào đã và đang được sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo giống khoai tây tại Viện Sinh học Nông nghiệp, Trường Đại học Nông nghiệp Hà nội Nguyễn Thị Phương Thảo và các đồng tác giả,

2011 [12], thông qua nghiên cứu dung hợp tế bào trần của các dòng nhị bội thể, đã tạo ra và chọn lọc được 2 dòng kháng PVY là H76 và H79 có một số đặc tính tốt có thể làm vật liệu khởi đầu cho chọn tạo giống khoai tây kháng PVY và có chất lượng củ phù hợp với việc làm nguyên liệu cho công nghiệp chế biến

4.2.2 Chuyển gen

Các dẫn xuất của dung hợp nguyên sinh chất và công nghệ nuôi cấy mô

có thể dẫn đến việc chuyển nhiễm sắc thể có giới hạn, và việc sử dụng Agrobacterium tumifaciens Ti plasmid-vật biến đổi trung gian để chuyển các gene riêng biệt là điều khả thi, đã và đang được dùng để tạo ra các cây khoai tây chuyển gene chống các bệnh virus (Backer et al., 1992 ; Huisman et al., 1992)

Các loài khoai tây dại có nhiều gene về chống chịu sâu bệnh và các điều kiện phi sinh vật (abiotic) bất thuận (Bradshaw và Mackay, 1994) Các chương trình chọn tạo giống khoai tây hiện đại cần chuyển các gene quý từ các loài khoai tây dại vào các kiểu gene được tạo ra để chọn lọc

Một số kết quả đạt được:

Nhà khoa học Valentine Otang Ntui và đồng nghiệp thuộc ĐH Chiba, Nhật Bản cho biết họ đã phát triển thành công dòng khoai tây biến đổi gen với tính kháng mạnh với các chủng virus (strains) CMV (cucumber mosaic virus) thông qua kỹ thuật gene silencing