Một trong những sứ mệnh của CGIAR là nghiên cứu, hỗ trợ và hướng dẫn bảo tồn nguồn gen thực vật, cho đến nay tổ chức này đã có mạng lưới khắp toàn cầu gồm có 15 Trung tâm nghiên cứu Qu[r]
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
PGS.TS VŨ VĂN LIẾT
GIÁO TRÌNH
QUỸ GEN VÀ BẢO TỒN QUỸ GEN
HÀ NỘI 2009
Trang 2MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 5
Chương 1 7
ĐA DẠNG SINH HỌC, ĐA DẠNG DI TRUYỀN VÀ TÀI NGUYÊN DI TRUYỀN THỰC VẬT 7 1.1 ĐA DẠNG SINH HỌC 7
1.1.1 Khái niệm đa dạng sinh học 7
1.1.2 Vai trò của đa dạng sinh học 8
1.2 ĐA DẠNG DI TRUYỀN 10
1.2.1 Khái niệm và ý nghĩa 10
1.2.2 Xác định đa dạng di truyền 11
1.2.3 Động thái vận động của đa dạng di truyền 14
1.3 VAI TRÒ CỦA ĐA DẠNG DI TRUYỀN VÀ NGUỒN GEN THỰC VẬT 15
1.4 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ THUẬT NGỮ 18
1.5 CÁC HỌC THUYẾT VỀ NGUỒN GEN THỰC VẬT 22
1.5.1 Học thuyết “ Dãy biến dị tương đồng” 22
1.5.2 Học thuyết Trung tâm đa dạng di truyền ( Trung tâm phát sinh cây trồng) 22
1.6 CÁC TRUNG TÂM BẢO TỒN NGUỒN GEN THẾ GIỚI 32
1.7 BẢO TỒN NGUỒN GEN CỦA VIỆT NAM 34
Chương 2 40
THU THẬP NGUỒN GEN THỰC VẬT 40
2.1 XÓI MÒN NGUỒN TÀI NGUYÊN DI TRUYỀN THỰC VẬT 40
2.1.1 Mức độ xói mòn nguồn gen thực vật 40
2.1.2 Nguyên nhân xói mòn nguồn gen thực vật 41
2.1.3 Hậu quả của xói mòn nguồn gen 43
2.2 NHIỆM VỤ, XÁC ĐỊNH ƯU TIÊN THU THẬP NGUỒN GEN THỰC VẬT 44
2.2.1 Nhiệm vụ 44
2.2.2 Những nguồn gen cần thu thập ở Việt Nam 46
2.2.3 Xác định vùng và cây trồng ưu tiên thu thập ở Việt Nam 46
2.3 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP 47
2.3.1 Chuẩn bị cho một cuộc thu thập nguồn gen thực vật 49
2.3.2 Thực hiện khảo sát cây trồng theo địa lý sinh thái 51
2.3.3 Hình thức tổ chức thu thập 59
2.3.4 Phương pháp lấy mẫu và cỡ mẫu thu thập 59
2.3.5 Thu thập thông tin trong qúa trình thu thập nguồn gen (Passport data) 63
2.4 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP TRUYỀN THỐNG 64
2.4.1 Thu thập nguồn gen hoang dại 64
2.4.2 Thu thập cây lấy hạt 64
2.4.3 Thu thập cây có củ 65
2.4.4 Thu thập cây ăn quả và cây thân gỗ 65
2.4.5 Thụ thập vật liệu trồng trọt: 65
2.5 THU THẬP NGUỒN GEN IN VITRO 66
2.5.1 Khái niệm và cơ sở khoa học của thu thập nguồn gen thực vật In vitro 66
2.5.2 Phương pháp cơ bản nuôi cây In vitro 67
2.5.3 Hướng dẫn kỹ thuật của phương pháp 67
2.5.4 Một số nghiên cứu thu thập nguồn gen bằng kỹ thuật In vitro 69
2.6 THU THẬP NGUỒN GEN CÓ SỰ THAM GIA 72
2.6.1 Các bước thực hiện thu thập nguồn gen có sự tham gia của người dân: 73
2.6.2 Kỹ thuật họp nhóm nông dân 73
2.7 THU THẬP NGÂN HÀNG GEN HẠT NHÂN 77
2.7.1 Khái niệm: 77
2.7.2 Thu thập ngân hàng gen hạt nhân 78
2.7.3 Chia nguồn gen thành các nhóm di truyền khác biệt 80
Trang 32.7.4 Quản lý nguồn gen hạt nhân 82
2.7.5 Sử dụng nguồn gen hạt nhân 82
2.8 PHÂN LOẠI NGUỒN GEN SAU THU THẬP 82
2.8.1 Phân loại dựa trên hệ thống phân loại thực vật 83
2.8.2 Phân nhóm dựa trên kiểu hình 84
2.8.3 Phân nhóm nguồn gen theo vùng địa lý sinh thái 86
2.9 XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU 87
Chương 3 89
BẢO TỒN NỘI VI 89
(In situ) 89
3.1 NHỮNG PHƯƠNG PHÁP BẢO TỒN CƠ BẢN 89
3.2 KHÁI NIỆM BẢO TỒN NỘI VI ( In situ) 90
3.3 BẢO TỒN TRÊN TRANG TRẠI 91
3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO TỒN NỘI VI KHÁC 116
3.4.1 Khu bảo tồn sinh quyển hoặc khu bảo vệ đa dạng 116
3.4.2 Phương pháp vườn hộ 118
Chương 4 120
BẢO TỒN NGOẠI VI 120
4.1 KHÁI NIỆM 120
4.2 BẢO TỒN HẠT (SEED GENEBANK) (đối với hạt chịu làm khô -Orthodox seed conservation) 121
4.2.1 Thu nhận mẫu nguồn gen hạt đưa vào ngân hàng hạt 123
4.2.2 Đăng ký nguồn gen vào ngân hàng gen hạt 124
4.2.3 Độ sạch mẫu hạt nguồn gen 126
4.2.4 Độ ẩm mẫu hạt và làm khô trước khi bảo tồn 127
4.2.5 Kiểm tra chất lượng hạt nguồn gen trược khi bảo tồn 131
4.2.6 Đóng bao và tồn trữ nguồn gen 137
4.2.7 Quản lý kho bảo tồn nguồn gen 138
4.2.8 Nhân nguồn gen 140
4.3 BẢO TỒN NGÂN HÀNG GEN ĐỒNG RUỘNG 141
(Bảo tồn ngân hàng gen đồng ruộng với loài không bảo tồn hạt khô (non-orthodox) và các loài nhân giống vô tính) 141
4.3.1 Chọn điểm và thu thập nguồn gen cho bảo tồn đồng ruộng 143
4.3.2 Nguyên lý bảo tồn đồng ruộng 144
4.3.3 Bố trí xắp xếp ngân hàng gen đồng ruộng 146
4.3.4 Quản lý đồng ruộng 146
4.3.5 Đánh giá đặc điểm ngân hàng gen đồng ruộng 148
4.3.6 Sử dụng ngân hàng gen đồng ruộng 149
4.4 BẢO TỒN ĐÔNG LẠNH 149
4.4.1 Cơ sở lý thuyết của bảo tồn đông lạnh 150
4.4.2 Kỹ thuật bảo tồn đông lạnh 152
4.4.3 Ứng dụng bảo tồn đông lạnh với các loài thân thảo 152
4.4.4 Bảo tồn đông lạnh với các loài cây thân gỗ 154
4.4.5 Tính toàn vẹn di truyền của thực vật khi bảo tồn đông lạnh 155
4.5 BẢO TỒN IN VITRO 155
4.5.1 Nguyên lý bảo tồn In vitro 155
4.5.2 Phân loại bảo tồn In vitro 156
4.5.3 Những kỹ thuật cơ bản trong bảo tồn In vitro 157
4.6 BẢO TỒN HẠT PHẤN 159
4.7 NGÂN HÀNG DNA 159
4.7.1 Những ngân hàng DNA hiện có trên thế giới 159
4.7.2 Bảo tồn DNA hiện nay trên thế giới 159
Trang 44.7.3 Kỹ thuật chủ yếu trong tách và tồn trữ DNA 160
4.7.4 Ngân hàng DNA như một bảo tồn bổ sung 161
4.7.5 Luật pháp quốc tế về ngân hàng DNA 161
Chương 5 163
ĐÁNH GIÁ VÀ SỬ DỤNG NGUỒN GEN 163
5.1 NHÂN TĂNG SỐ LƯỢNG HẠT 163
5.1.1 Kỹ thuật nhân để giữ nguyên tính xác thực di truyền của nguồn gen 163
5.1.2 Bố trí thí nghiệm nhân hạt 164
5.1.3 Các chỉ tiêu theo dõi 164
5.2 HỆ THỐNG HÓA THÔNG TIN 164
5.3 CÁC LOẠI THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ NGUỒN GEN 165
5.3.1 Đánh giá cơ bản 165
5.3.2 Đánh giá và mô tả đặc điểm chi tiết 165
5.4 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ NGUỒN GEN 166
5.4.1 Công thức thí nghiệm trong đánh giá nguồn gen 166
5.4.2 Số lượng mẫu nguồn gen trong một thí nghiệm đánh giá 167
5.4.3 Đối chứng 167
5.4.4 Chọn điểm thí nghiệm 167
5.4.5 Kỹ thuật bố trí thí nghiệm 167
5.4.6 Thu thập thông tin thí nghiệm nguồn gen 171
5.4.7 Quản lý số liệu thu thập 174
5.4.8 Phân tích thống kê số liệu 175
5.5 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC ĐÁNH GIÁ NGUỒN GEN 178
5.6 TỔNG HỢP KẾT QUẢ VÀ TÀI LIỆU HÓA 180
5.7 SỬ DỤNG NGUỒN GEN THỰC VẬT 180
5.7.1 Nghiên cứu cơ bản: 180
5.7.2 Sử dụng trong các chương trình tạo giống với các mục tiêu khác nhau 180
5.7.5 Phân phối sử dụng nguồn gen 181
5.7.6 Sử dụng nguồn gen hoang dại và họ hàng hoang dại 183
5.7.7 Sử dụng nguồn gen cây trồng địa phương 187
5.7.8 Sử dụng nguồn gen mới tạo thành và nguồn gen cây trồng thế giới 188
TÀI LIỆU THAM KHẢO 191
Trang 5MỞ ĐẦU
Nguồn gen thực vật có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với cuộc sống con người trên trái đất,
nó là nền tảng của đa dạng sinh học, đa dạng nông nghiệp, đảm bảo cho phát triển bền vững
và chống nghèo đói Con người đã nhận thức được tầm quan trọng của nguồn gen thực vật,
vì vậy nhóm tư vấn Quốc tế (Consultative Group on International Agricultural Research) viết tắt là CGIAR đã được thành lập năm 1971 Một trong những sứ mệnh của CGIAR là nghiên cứu, hỗ trợ và hướng dẫn bảo tồn nguồn gen thực vật, cho đến nay tổ chức này đã có mạng lưới khắp toàn cầu gồm có 15 Trung tâm nghiên cứu Quốc tế Mạng lưới của CGIAR hợp tác với hệ thống nghiên cứu nông nghiệp của tất cả các quốc gia, các tổ chức chính phủ
và phi chính phủ Mục tiêu tư vấn phát triển nông nghiệp bền vững, nâng cao chất lượng cuộc sống, đảm bảo an ninh lương thực, đảm bảo dinh dưỡng và sức khỏe con người, nâng cao thu nhập và cải thiện quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên
Năm 1991 Viện Tài Nguyên Di Truyền Thực Vật Thế Giới (IPGRI) thành lập trên cơ sở CGIAR đặt trụ sở tại Rome, Italy Viện có các cơ quan vùng ở Cali, Colombia (Châu Mỹ), KualaLumpur, Malaysia (Châu Á Thái Bình Dương), Nairobi, Kenya (Châu Phi), Aleppo, Syria (Tây Á và Bắc Phi), và Rome, Italy (Châu Âu) Năm 1996 thành lập thêm văn phòng tại Costa Rica, năm 1997 văn phòng tại Uganda và Cameroon Tầm nhìn của IPGRI là “ Loài người ngày nay và trong tương lai có cuộc sống tốt hơn bằng tăng thu nhập, cải thiện
an ninh lương thực bền vững, sức khỏe môi trường tốt hơn thông qua bảo tồn và phát triển
đa dạng sinh học nông nghiệp trên nông trại và tài nguyên rừng” Nguồn tài nguyên được
bảo tồn đa dạng tạo cơ hội tốt hơn cho sử dụng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người trong tương lai Ngày nay, gần một phần tư triệu loài thực vật trên trái đất đang cần được thu thập và bảo tồn, trong đó một số loài và vùng địa lý nguồn gen cần được ưu tiên thu thập và bảo tồn vì chúng đang bị đe dọa nghiêm trọng
Việt Nam có có vị trí địa lý, địa hình đa dạng cùng với lịch sử phát triển lâu đời của 64 nhóm dân tộc sinh sống và nền sản xuất nông nghiệp chiếm ưu thế Điều kiện đó đã tạo nên nguồn tài nguyên di truyền thực vật của Việt Nam vô cùng đa dạng và phong phú Những năm gần đây do dân số tăng nhanh, sự phát triển và phổ biên các giống cây trồng mới và sự phát triển của nền kính tế, đa dạng tài nguyên di truyền của Việt Nam cũng đang bị dọa Những nguyên nhân trên dẫn đến xói mòn nguồn gen và giảm đa dạng sinh học, một số vùng đã đến mức báo động Việt Nam đã có những phản ứng tích cực trước nguy cơ mất đa dạng di truyền và nguồn tài nguyên di truyền thực vật Chính phủ đã thành lập Trung tâm Tài nguyên di truyền thực vật (TNDTTV) thuộc Viện Khoa học Nông nghiệp Việt năm
2005 (Quyết định số 220/2005/QĐ-TTg ngày 09/9/2005) Trung tâm TNDTTV có mạng lưới gồm 18 Viện, Trung tâm và Trạm nghiên cứu làm nhiệm vụ nghiên cứu và bảo tồn nguồn tài nguyên di truyền thực vật Những nhiệm vụ chính của mạng lưới Quốc gia trong quản lý và bảo tồn nguồn tài nguyên
+ Nhiệm vụ duy trì và phát triển ngân hàng gen thực vật Quốc gia: thu thập và lưu giữ nguồn gen tại ngân hàng gen (Ngân hàng gen hạt “seed genebank”, ngân hàng gen đồng
ruộng “field genebank”, Ngân hàng gen In vitro và AND) Bên cạnh bảo tồn, nhiệm vụ
đánh giá, tư liệu hoá; thu thập và bổ sung thông tin, cung cấp nguồn gen cho nghiên cúu khoa học, mở rộng sản xuất và phục vụ chọn tạo giống cây trồng
+ Xây dựng giải pháp bảo tồn và khai thác sử dụng tài nguyên thực vật gồm: đa dạng di truyền; công nghệ sinh học; sinh lý và kỹ thuật hạt giống; làm giàu thêm quỹ gen; ứng dụng tin học vào quản lý dữ liệu và thông tin tài nguyên thực vật
+ Bảo tồn thông qua sử dụng tài nguyên thực vật, phát triển và duy trì các điểm bảo tồn In situ nguồn gen cây trồng
Trang 637 M.T Jackson, B.R.Lu, G.C.Loresto S Appa Rao, 2000, Rice genetic resources: onservation, safe delivery and use, IRRI program report
38 N Kameswara Rao, 2004, Plant Genetic Resources : Advancing conservation and use through biotechnology, African Journal of biotechnology Vol 3(2) pp136-145
39 NorAiniAb Shukor, 2001, Establishment and management of field genebank,
IPGRI Regional Office for Asia, The Pacific and Oceania, UPM Campus, Sedang,
43400 Selangor Darul Ehsan, Malaysia, ISBN 92-90043-464-3, pp 110
40 N Kameswara Rao, Jean Hanson, M Ehsan Dulloo, Kakoli Ghosh, David Nowell and Michael Larinde, 2006, Manual of seed handling in Genbanks, Bioversity International IPGRI, Rome, Italy
41 Nguyễn Thị Ngọc Huệ, Hà Đình Tuấn, Bhuwon Sthapit, 2002, Bảo tồn đa dạng sinh học Nông nghiệp trên đồng ruộng tại Việt Nam, nxb Nông nghiệp
42 N.Kameswara Rao,2004, Plant genetic resource: Advancing conservation and use through biotechnology, African Journal of biotechnology Vol.3
43 Paul Barden, 1996-2004, Old garden rose and beyond magazine, US
44 Paul Gepts,2006, Plant Genetic Resources Conservation and Utilization, Crop Sci 46:2278-2292
45 R.K Arora, 1991, Plant Genetic Resources Conservation and Management Concepts and Approaches, Published by the International Board for Plant Genetic Resources, egional Office for South and Southeast Asia, c/o NBPGR, Pusa Campus, New Delhi
110 012, India
46 R.S Paroda, R.K Arora, 1991, Plant Genetic Resources Conservation and
Management Concepts and Approaches, Published by the International Board for Plant Genetic Resources, egional Office for South and Southeast Asia, c/o NBPGR, Pusa Campus, New Delhi 110 012, India
47 R.H Ellis, T.D Hong and E.H Roberts, 1985, Handbooks for Genebanks: No 3 , IBPGR
48 Serge Gudin,2000, Rose : Gemetic and Breeding, John Willy &Son,Inc, pp2
161-169
49 Salma Idris and Mohd Said Saad,2001, Establishment and management of field genebank, IPGRI Regional Office for Asia, The Pacific and Oceania, UPM Campus, Sedang, 43400 Selangor Darul Ehsan, Malaysia, ISBN 92-90043-464-3, pp82
50 S Eberhart, Chair, R Johnson, S Kresovich, W Lamboy, R Schnell, C Sperling,
1994, National Plant Germplasm System General Guideline and procedures
IPGRRI
51 S A Mohammadi and B M Prasanna,2003, Analysis of Genetic Diversity in Crop
Plants—Salient Statistical Tools and Considerations, Crop Science 43:1235-1248
(2003)
52 T.A Thomas and P.N Mathur,1991 , Plant Genetic Resources Conservation and Management Concepts and Approaches, Published by the International Board for Plant Genetic Resources, egional Office for South and Southeast Asia, c/o NBPGR, Pusa Campus, New Delhi 110 012, India
53 Th.J.L.van Hintum, A.H.D Brown, and C Spillane T.Hodgkin, 2000, Core
collections of plant genetic resources, IPGRI Technical Bulletins,IPGRI Via delle Sette Chiese, 00145 Rome, Italy
54 Trung tâm tài nguyên thực vật, 2007, các giống lúa địa phương đang phổ bên tại một
số vùng sinh thái, nxb Nông nghiệp
Trang 755 USDA,2006, Đa dạng di truyền luôn thay đổi, Nation forest genetic laboratory, USDA, Genetic resource conservation programme, University of California
56 Vũ Đình Hòa, Nguyễn Văn Hoan, Vũ Văn Liết, 2005, Giáo trình chọn giống cây trồng, nxb Nông nghiệp tr 15-30
57 Valerie C Pence, Jorge A Sandoval, Victor M.Villaobos A and Florent
Engelmann, 2002, In vitro collecting techniques for germplasm conservation, IPGRI, Rome , Italy
58 V Holubec,1997, The Origins of Agriculture and Crop Domestication, Proceedings
of the Harlan Symposium, pp 255
59 Vega, S.E., Del Rio, A.H., Bamberg, J.B., Palta, J.P 2004 Evidence for the up-regulation of stearoyl-acp delta 9 desaturase gene expression during cold
acclimation American Journal of Potato Research 81:125-135
60 Wanda W Collins; Calvin O Qualset, 1999, Biodiversity in Agroecosystems, CRC press LLC,Lewis Publishers, USA
61 Yong-Bi Fu,* Gordon G Rowland, Scott D Duguid, and Ken W Richards, 2003, Plant genetic resource, RAPD Analysis of 54 North American Flax Cultivars, Crop Sci 43:1510-1515
62 M.T Jackson, B.R.Lu, G.C.Loresto S Appa Rao, 2000, Rice genetic resources: onservation, safe delivery and use, IRRI program report