Nghiên cứu sự thay đổi ngưỡng chuyển đổi tính dục của một số dòng TGMS đang sử dụng để phát triển lúa lai hai dòng tại miền bắc việt nam

luận văn, thạc sĩ, tiến sĩ, cao học, khóa luận, đề tài

Bộ GIáO DụC Và ĐàO TạO TRƯờNG ĐạI HọC NÔNG NGHIệP Hà NộI

-


   -

lê thị khải hoàn

Nghiên cứu sự thay đổi “ng−ỡng” chuyển đổi tính dục của một số dòng TGMS đang sử dụng để phát triển lúa lai hai dòng tại miền Bắc Việt Nam

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và ch−a hề 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 đ0

đ−ợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn đ0 đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Lê Thị Khải Hoàn

Lời cảm ơn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Trâm, người đ0 tận tình hướng dẫn, định hướng, tạo ủiều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu ủể tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo viện đào tạo sau ủại học, Khoa Nông học, bộ môn Di truyền và chọn giống cây trồng, Khoa Nông học - Trường đại học nông nghiệp Hà Nội đ0 quan tâm giúp đỡ, đóng góp ý kiến quí báu cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn này

Tôi xin cảm ơn ban l0nh đạo Viện Sinh học Nông nghiệp, tập thể cán bộ phòng Công nghệ lúa lai đ0 tạo ủiều kiện thuận lợi về thời gian, cơ sở vật chất

và giúp đỡ, động viên tinh thần để tôi hoàn thành luận văn này

Qua đây tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới gia đình người thân, anh chị em, bạn bè và những người luôn ủng hộ, động viên tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, công tác và thực hiện luận văn này

Tác giả luận văn

Lê Thị Khải Hoàn

Mục lục

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.3 ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

2.1 Sơ lược lịch sử nghiên cứu phát triển lúa lai 3

2.2 Các hệ thống bất dục đực ở lúa 14

2.3 Thuận lợi và khó khăn trong duy trì và sử dụng bất dục đực 24

3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 34

3.2 Phương pháp nghiên cứu 34

4 Kết quả nghiên cứu và thảo luận 41

4.1 Đặc điểm sinh trưởng của các dòng TGMS qua các thời vụ 41

4.1.1 Thời gian từ gieo đến trỗ của các dòng TGMS trong vụ mùa 2009

4.1.2 Số lá trên thân chính của các dòng TGMS qua các thời vụ 44

4.2 Đánh giá một số đặc điểm hình thái của các dòng TGMS 47

4.3 Một số tính trạng số lượng của các dòng TGMS 50

4.4 Đánh giá mức độ nhiễm sâu bệnh của các dòng TGMS trong

4.5 Các yếu tố cấu thành năng suất và năng suất của các dòng

TGMS trong điều kiện vụ xuân 2010 57

4.6 Đặc điểm bao phấn, hạt phấn của các dòng TGMS trong thí

4.8.2 Kết quả đánh giá các dòng TGMS chuyển đổi tính dục ở ng−ỡng

4.8.3 Đánh giá nhiệt độ gây bất dục của các cá thể hữu dục ở 240C 71

4.8.4 Đánh giá nhiệt độ gây bất dục của các cá thể hữu dục ở 24,50C 73

4.8.5 Phân loại số cá thể có ng−ỡng chuyển đổi khác nhau trong cùng

Danh mục các từ viết tắt

TGMS Thermo sensitive Genic Male Sterile (Bất dục đực mẫn cảm nhiệt độ) PGMS Photoperiodic-sensitive Genic Male Sterility (Bất dục đực mẫn cảm

quang chu kỳ)

CMS Cytoplasmic Male Sterility (Bất dục đực tế bào chất)

A Dòng bất dục đực di truyền tế bào chất

B Dòng duy trì bất dục đực

R Dòng phục hồi tính hữu dục

EGMS Environment Sensitive Genetic Male Sterility (Bất dục dực mẫn cảm

ngoại cảnh)

IRRI International Rice Research Institute (Viện nghiên cứu lúa quốc tế) TGST Thời gian sinh trưởng

WA Wild Abortive (bất dục hoang dại)

WCG Wide Compatibility Genes (Gen tương hợp rộng)

SNC Siêu nguyên chủng

NC Nguyên chủng

Danh mục bảng

3.1 Danh sách vật liệu nghiên cứu 34

3.2 Thời gian gieo cấy các dòng TGMS trong vụ mùa 2009 35

3.3 Thời gian gieo cấy của các dòng TGMS trong vụ xuân 2010 35

4.1 ảnh hưởng của thời vụ gieo đến thời gian từ gieo đến trỗ của các

dòng TGMS trong vụ mùa 2009 42

4.2 ảnh hưởng của thời vụ gieo đến thời gian từ gieo đến trỗ của các

dòng TGMS trong vụ xuân 2010 43

4.3 ảnh hưởng của thời vụ gieo đến số lá trên thân chính của các

4.4 ảnh hưởng của thời vụ gieo đến số lá trên thân chính của các

4.5 Một số đặc điểm hình thái của các dòng TGMS 48

4.6 Một số tính trạng số lượng của các dòng TGMS trong vụ mùa

4.7 Sự xuất hiện sâu bệnh của các dòng TGMS trong vụ mùa 2009 và

4.8 ảnh hưởng của thời vụ gieo đến năng suất cá thể của các dòng

4.9 Các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng TGMS vụ xuân

4.10 Một số đặc điểm hạt phấn ở thời kỳ bất dục của các dòng TGMS 63

4.11 Tỷ lệ phấn hữu dục của các dòng TGMS trong điều kiện vụ mùa

4.12 Kết quả xử lý bất dục ở nhiệt độ 23,50C trong Phytotron của các

dòng TGMS trong thí nghiệm 69

4.13 Kết quả đánh giá các dòng TGMS chuyển đổi ở ng−ỡng 23,50C

4.14 Kết quả xử lý nhiệt độ 240C trong Phytotron của các dòng TGMS

Danh môc h×nh

4.1 KiÓu bÊt dôc kh«ng h¹t phÊn cña dßng T1S-96 62 4.2 BÊt dôc Ýt h¹t phÊn kiÓu ®iÓn h×nh cña dßng 135S 63 4.3 C¸c dßng TGMS ®ang xö lý trong phytotron 68

1 Mở ĐầU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Công nghệ lúa lai ra đời và phát triển hơn bốn thập kỷ qua đ0 mang lại hiệu quả hết sức to lớn cho sản xuất nông nghiệp Sản xuất lúa lai đ0 thúc đẩy việc tăng năng suất, tăng thu nhập cho hộ nông dân, góp phần đảm bảo an ninh lương thực và ổn định x0 hội Việc nghiên cứu chọn tạo các giống lúa lai

ở Việt Nam là một đòi hỏi tất yếu trong những năm gần đây và tương lai Diện tích lúa lai của nước ta ngày một tăng nhanh Năm 1991 nước ta mới đưa vào trồng thử trên diện tích 100 ha ở các tỉnh miền Bắc (Từ Thừa Thiên-Huế trở ra), năm 1999 diện tích lúa lai đạt khoảng 220.000 ha và đến đến năm 2009

đạt 709.861 ha [4] Trong quá trình sản xuất và trồng thử mọi người dân đều công nhận lúa lai cho năng suất cao hơn lúa thường vì thế mà lúa lai hiện nay

được trồng và mở rộng diện tích từ Bắc đến Nam vào cả các tỉnh Tây Nguyên, lúa lai được trồng trên mọi chân đất, vụ xuân, vụ mùa và cả vụ hè thu Khi diện tích lúa lai ngày càng được mở rộng thì nhu cầu về lượng hạt giống bố

mẹ cung cấp cho sản xuất càng nhiều, quá trình quản lý chất lượng hạt giống càng khó khăn hơn đặc biệt là hạt giống bố mẹ lúa lai hệ “hai dòng” Sản xuất hạt giống dòng mẹ lúa lai “hai dòng” luôn phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện thời tiết “Ngưỡng” chuyển hóa tính dục của dòng mẹ không ổn định và luôn

có xu hướng nâng cao dần qua các thế hệ nhân [19][20] Theo nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Quốc cho thấy “ngưỡng” chuyển đổi tính dục của dòng 96-5-2S tăng dần qua các thế hệ nhân [55] Hiện nay phần lớn các tổ hợp lúa lai hai dòng được tạo ra có dòng mẹ là dòng bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ (TGMS), các dòng TGMS này có xu hướng nâng cao dần nhiệt độ chuyển đổi tính dục sau một số lần nhân Hiện tượng này còn được gọi là

“trượt ngưỡng”, mức độ “trượt ngưỡng” của các dòng khác nhau thì khác nhau nhưng đều ảnh hưởng bất lợi đến việc duy trì dòng mẹ và chất lượng hạt lai F1 Đánh giá sự thay đổi “ngưỡng” chuyển đổi tính dục của từng dòng TGMS với điều kiện môi trường là vô cùng quan trọng và cần thiết vì nó làm cơ sở

cho việc duy trì độ thuần tính dục của dòng mẹ, đảm bảo sản xuất hạt lai F1

đạt chất lượng cao Đề tài: “Nghiên cứu sự thay đổi “ngưỡng” chuyển đổi tính dục của một số dòng TGMS đang sử dụng để phát triển lúa lai hai dòng tại miền Bắc Việt Nam” được thực hiện sẽ đặt cơ sở để giải quyết những khó khăn đang diễn ra trong sản xuất hạt lai F1 hệ hai dòng ở miền Bắc nước

ta hiện nay

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định tỷ lệ cây trượt ngưỡng bằng xử lý nhân tạo một số dòng TGMS đang sử dụng

- Đánh giá ngưỡng chuyển đổi tính dục của các quần thể ở các thế hệ chọn lọc khác nhau, trên cơ sở đó đề xuất giải pháp duy trì các dòng TGMS siêu nguyên chủng

1.3 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá tính ổn định của các dòng EGMS nói chung và dòng TGMS nói riêng Kết quả của đề tài đặt cơ sở cho việc chọn lọc, duy trì dòng TGMS siêu nguyên chủng, nhân thành nguyên chủng và xác nhận

Thông qua kết quả của đề tài sẽ giúp các nhà khoa học đề xuất qui trình phù hợp để chọn thuần các dòng TGMS và khống chế mức độ “trượt ngưỡng” chuyển đổi tính dục của các dòng TGMS đang sử dụng trong sản xuất hạt lai F1 ở nước ta hiện nay

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đánh giá đặc điểm sinh trưởng, phát triển, đặc điểm tính dục của các dòng TGMS trong các thời vụ khác nhau

- Xác định ngưỡng chuyển đổi tính dục của các dòng TGMS trong điều kiện tự nhiên và nhân tạo

- Xác định ngưỡng chuyển đổi tính dục, mức độ trượt ngưỡng của một số dòng TGMS mới chưa qua xử lý nhân tạo trong Phytotron

2 Tổng quan tài liệu

2.1 Sơ lược lịch sử nghiên cứu phát triển lúa lai

2.1.1 Cơ sở khoa học của đề tài

Sản xuất lúa lai không chỉ nhằm giải quyết phá thế “kịch trần” so với lúa thường mà sản xuất lúa lai còn nhằm mục tiêu cao cả hơn đó là đảm bảo an ninh lương thực Trải qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển, tốc độ phát triển của lúa lai tăng nhanh cả về diện tích và năng suất

Sản xuất lúa lai hiện nay đang được phát triển theo hai hệ thống: Hệ hai dòng và hệ ba dòng Trong hệ thống sản xuất lúa lai hai dòng công cụ sử dụng chủ yếu là dòng mẹ bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với điều kiện môi trường (EGMS) hay còn gọi là dòng S, và dòng cho phấn (pollinaiter) có thể gọi là dòng R Các dòng mẹ sử dụng để sản xuất lúa lai hai dòng hiện nay chủ yếu là kiểu bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với độ dài chiếu sáng trong ngày (PGMS) và kiểu bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ (TGMS) Sự chuyển hóa tính dục của các dòng TGMS phụ thuộc vào nhiệt độ, còn sự chuyển hóa tính dục của các dòng PGMS phụ thuộc vào độ dài chiếu sáng trong ngày quyết định

Nghiên cứu cơ sở di truyền của hiện tượng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với môi trường Wu Xiaojin [53] ở Trung tâm Nghiên cứu lúa lai Hồ Nam Trung Quốc đ0 kết luận: Các dòng khác nhau thì phản ứng khác nhau với thay đổi của nhiệt độ ở giai đoạn mẫn cảm Nếu nhiệt độ trung bình là 23oC kéo dài liên tục trong 3 ngày thì các dòng TGMS 90336S và 90338S sẽ chuyển từ bất dục sang hữu dục Về bản chất di truyền nhiều tác giả cho rằng tính mẫn cảm với môi trường của hai loại PGMS và TGMS đều do một cặp gen lặn nằm trong nhân kiểm soát và được ký hiệu là tms và pms

Kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Quốc và một số nước khác đ0 chỉ ra rằng: Nhiệt độ chuyển hóa của các dòng EGMS rất khác nhau tùy thuộc vào bản chất của gen kiểm soát tính trạng mang trong mỗi dòng của các dòng (Lu và Cs, 1994)[41] Ví dụ như: Trong điều kiện hữu dục thì dòng

Nongken 58S, X88 thời gian chiếu sáng trong ngày ngắn hơn 13,75 giờ, còn EGMSb thời gian chiếu sáng trong ngày ngắn hơn 13 giờ [35][53][54][23]

Ngưỡng chuyển hóa bất dục của các dòng EGMS không ổn định và luôn có xu hướng xuất hiện biến dị nâng cao dần ngưỡng chuyển hóa qua các thế hệ nhân vì vậy chỉ cần khống chế ngưỡng chuyển đổi tính dục của các dòng TGMS có thể đảm bảo sản xuất hạt lai một cách an toàn [1][6] [67] Theo Xu Meng Liang và Cs, 2006 [55] khi nghiên cứu về ngưỡng chuyển đổi tính dục của dòng 96-5-2S cho thấy ngưỡng chuyển đổi tính dục tăng dần qua các thế hệ nhân

ở Việt Nam hiện nay bằng việc nghiên cứu, chọn tạo và sản xuất ra các dòng TGMS như 103S, T1S-96, T141S, 135S, … và dòng PGMS là P5S [22][25] các nhà khoa học đ0 cho ra đời nhiều tổ hợp lúa lai hai dòng có năng suất cao, chất lượng tốt như: Việt Lai 20, TH3-3, TH3-4, TH3-5, việt lai 24, TH5-1, HC1, HYT102, HYT103, LC212, LC270… [28]

2.1.2 Lịch sử nghiên cứu

2.1.2.1 Phát hiện ưu thế lai ở lúa

Ưu thế lai (UTL) là một thuật ngữ dùng để chỉ tính hơn hẳn của con lai F1 so với bố mẹ chúng về các tính trạng hình thái, khả năng sinh trưởng, sức sinh sản, khả năng chống chịu và thích nghi, năng suất, chất lượng và nhiều

đặc tính khác Việc sử dụng rộng r0i các giống lai F1 vào sản xuất đ0 làm tăng thu nhập và hiệu quả kinh tế của sản xuất nông nghiệp (Yuan L.P., 1995) [63]

Tạo giống UTL là con đường nhanh và hiệu quả vì phối hợp được nhiều

đặc điểm có giá trị của các giống bố mẹ vào con lai F1, tạo ra giống cây trồng năng suất cao, chất lượng tốt (Nguyễn Hồng Minh, 1999) [20] UTL là hiện tượng phổ biến trong trồng trọt và chăn nuôi Vào khoảng năm 584 trước công nguyên người cổ xưa đ0 lai Ngựa với Lừa để tạo ra con La (F1) có thân hình tuy nhỏ hơn Ngựa nhưng rất dai sức, chịu hạn giỏi nên được sử dụng để chở hàng trên sa mạc

Năm 1763 Kolreuter đ0 phát hiện UTL trên cây thuốc lá Năm

1866-1867 Darwin đ0 chỉ ra rằng ở Ngô có UTL Đầu thế kỷ 20 UTL ở Ngô được

nghiên cứu và sử dụng rộng r0i trong sản xuất Sau đó con người đ0 khai thác UTL ở cây bắp cải, hành tây, cà chua, bông, lúa … Các giống gia súc lai đ0

được tạo ra và đ0 giải quyết được nạn thiếu thực phẩm cho nhân loại như: lợn,

gà, bò, vịt lai kinh tế…[23]

Nhà thực vật học người Mỹ J.W.Jones năm 1926 lần đầu tiên báo cáo

vầ sự xuất hiện UTL ở lúa trên những tính trạng số lượng và năng suất, các yếu tố cấu thành năng suất (Anonymous, 1977; Li, 1977; Lin và Yuan, 1980)

về sự tích lũy chất khô (Rao, 1965; Jenning,1967; Kim, 1985) về sự phát triển

bộ rễ (Anonymous, 1974) về cường độ quang hợp, diện tích lá (Lin và Yuan, 1980) [38]; MC Donal và cs 1971; Wu và cs; 1980) (Trích theo Nguyễn Văn Hiển và cs)[10]

Những năm đầu thập kỷ 60 Yuan L.P (Trung Quốc)[58] đ0 cùng đồng nghiệp phát hiện được cây lúa dại bất dục trong loài lúa dại Oryza Fatua spontanea tại đảo Hải Nam Sau khi thu về nghiên cứu lai tạo họ đ0 chuyển

được tính bất dục đực dạng hoang dại này vào lúa trồng và đ0 tạo ra những vật liệu di truyền mới giúp cho việc khai thác UTL thương phẩm Tạo ra dòng bất dục đực di truyền tế bào chất (CMS - Cytoplasmic Male Sterility) và chín năm sau hoàn thiện công nghệ nhân dòng bất dục đực, công nghệ sản xuất hạt lai

và đưa ra nhiều tổ hợp lai có năng suất cao đầu tiên như Nam ưu số 2, San ưu

số 2, ủy ưu số 6 …

Năm 1973 công bố nhiều dòng CMS, dòng B tương ứng và các dòng R,

đánh dấu sự ra đời của hệ thống lúa lai hệ “ba dòng” mở ra bước ngoặt trong lịch sử sản xuất hạt giống lúa lai và công nghệ sản xuất hạt giống lúa lai (Yuan L.P., 1992) [39][58][59][61][62] Thành tựu này đ0 giúp Trung Quốc gieo cấy được 140.000 ha lúa lai năm 1976 Diện tích và năng suất lúa lai liên tục tăng và năm sau cao hơn năm trước, đến năm 1990 diện tích lúa lai của Trung Quốc đ0 chiến 49% tổng diện tích lúa Năng suất lúa vượt 20% so với lúa thường tốt nhất Các quy trình nhân dòng bố mẹ và sản xuất hạt lai F1 ngày càng hoàn thiện mở ra triển vọng to lớn về phát triển lúa lai trên thế giới [24][62]

Mặc dù hệ thống bất dục đực di truyền tế bào chất (CMS) đ0 được phát hiện và sử dụng hiệu quả trong việc phát triển lúa lai hệ “ba dòng” nhưng sử dụng hệ thống này rất cồng kềnh trong việc duy trì và sản xuất hạt lai Mặt khác sử dụng hệ thống bất dục đực di truyền tế bào chất (CMS) còn gặp phải những khó khăn về khả năng chống đỡ với các tác nhân sinh học do sự nghèo nàn thiếu đa dạng di truyền ở dòng mẹ Năm 1973 Shiming Song ở trung tâm lúa lai Hồ Bắc đ0 phát hiện thấy một cây lúa bất dục đực trong điều kiện ngày dài trên 13,75 giờ và hữu dục trở lại trong điều kiện độ dài ngày ngắn dưới ngưỡng đó Đó là một thể đột biến tự nhiên của một giống Japonica Nong ken

58S và sau khi nghiên cứu người ta xác định đây là dòng bất dục đực mẫn cảm với quang chu kỳ (Photoperiodic-sensitive Genic Male Sterility - PGMS) Năm

1989, Yang và cs đ0 tạo ra dòng PGMS 5460PS từ giống lúa IR54 bằng phương pháp gây đột biến, Zhou và cs, (1991) đ0 phát hiện các dòng bất dục

đực di truyền nhân nhạy cảm với nhiệt độ (TGMS - Thermo Sensitive Genetic Male Sterility) các dòng này trở lại hữu dục một phần hoặc toàn phần dưới một dải nhiệt độ nào đó Trên cơ sở hệ thống này Yuan L.P., (1987) đ0 đề ra chương trình tạo giống lúa lai không cần sử dụng dòng duy trì bất dục và được gọi là hệ thống lúa lai “hai dòng” (Two line hybrid rice System) hệ thống này chỉ cần sử dụng một dòng bất dục đực và một dòng cho phấn để sản xuất hạt lai F1 còn khi nhân dòng bất dục đực thì không cần dòng B mà chỉ cần điều chỉnh thời vụ gieo cấy hoặc tìm vùng sản xuất thích hợp sao cho thời kỳ mẫn cảm (nhiệt độ hoặc độ dài chiếu sáng trong ngày) có điều kiện ngoại cảnh phù hợp là có thể thu được hạt tự thụ phấn

Các giống lúa lai hai dòng được đưa ra trồng đại trà đầu tiên ở Trung Quốc vào năm 1986 là Pei ải 64S/ Teqing đây cũng là giống lúa lai hai dòng

được đưa vào Việt Nam đầu tiên Năm 1992 diện tích trồng lúa lai hai dòng của Trung Quốc là 15.000 ha với năng suất 9 đến 10 tấn /ha Đến năm 1997

đ0 có 640.000 ha năng suất trung bình cao hơn lúa lai “ba dòng” là 5-15% Hầu hết các tổ hợp lúa lai “hai dòng” đều cho năng suất cao, phẩm chất tốt hơn so với các tổ hợp lúa lai “ba dòng”(Yuan L.P., 1997) [64]

2.1.2.2 Cơ sở di truyền của hiện tượng ưu thế lai

Ưu thế lai đ0 được phát hiện và sử dụng rộng r0i trong chọn giống cây trồng Tuy nhiên các nhà khoa học chưa đưa ra được 1 thuyết duy nhất để giải thích hiện tượng ưu thế lai Có rất nhiều giả thuyết, tựu trung lại người ta chấp nhận các giả thuyết sau đây:

- Thuyết tính trội:

Cơ sở di truyền của thuyết này là dựa trên nguyên lý tương tác trội-lặn trong mỗi locut; tác dụng tích lũy giữa các gen trội; và tương tác giữa các gen trội không allen với nhau

Theo truyết này thì tính trội được hình thành trong quá trình tiến hóa của sinh vật Các gen trội có lợi át các gen lặn gây hiệu quả xấu Thuyết này

có liên quan đến các hiệu quả sau:

+ Trong chọn giống cây trồng, tự phối chính là quá trình đồng hợp tử hóa Tỷ lệ đồng hợp tử của các gen lặn tăng lên dẫn đến suy giản sức sống quần thể Tuy nhiên trong một dòng tự phối luôn tồn tại cả hai loại đồng hợp

tử trội và lặn Các dòng tự phối khác nhau có kiểu gen khác nhau khi lai giữa các dòng với nhau sẽ cho con lai có sức sống cao hơn bố mẹ

+ Hiệu quả tác động bổ sung giữa các gen trội khác nhau để hình thành tính trạng biểu hiện ưu thế lai

+ Hiệu quả tác động cộng tính của các gen trội khác nhau (gen không allen) Nhiều tính trạng chịu sự kiểm soát của hai hay nhiều gen trội khác nhau Khi ở thế hệ F1 có mặt của hai hay nhiều gen trội khác nhau kiểm soát một tính trạng thì hiệu quả của tác động cộng tính sẽ mạnh hơn rất nhiều so với hiệu ứng cộng gộp đơn thuần Đối với tính trạng số lượng do nhiều gen kiểm soát Độ lớn của tính trặng tăng khi số lượng gen trội tăng

và mức dị hợp tử tăng

+ Hạn chế của thuyết tính trội: Thuyết này không giải thích được khi dòng thuần đạt mức đồng hợp tử cao và có mặt của nhiều gen trội có lợi nhưng không có sức sống cao (không có ưu thế lai) Giả sử một dòng tự phối có kiểu gen BBCCDDEE nhưng sức sống của dòng tự phối lại kém hơn so với giống

gốc hoặc các giống thuần khác

- Thuyết siêu trội:

Theo giả thuyết siêu trội cho rằng ưu thế lai là do dị hợp tử gây nên giả thuyết này còn gọi là giả thuyết về tính dị hợp tử Con lai càng có độ dị hợp tử cao thì ưu thế lai càng lớn Giảm độ dị hợp tử thì cũng giảm ưu thế lai Sự hiểu biết về cơ sở di truyền có ý nghĩa to lớn trong việc xác định các tính trạng hình thái có thể dự đoán được hay không trong cơ thể lai Ưu thế lai là kết quả biểu hiện của các gen ở các mức trội một phần đến trội hoàn toàn, siêu trội lấn

át hoặc là tổng hợp của các kiểu di truyền nêu trên

- Thuyết cân bằng di truyền:

Nhằm liên kết các giả thuyết khác nhau để giải thích tổng hợp sự phát sinh ưu thế lai Theo thuyết này thì mỗi cơ thể có một trạng thái cân bằng di truyền do các gen nằm trong nhân và tế bào chất quyết định Khi lai giữa các cơ thể khác nhau thì cân bằng cũ bị phá vỡ, tạo nên một cân bằng mới Cân bằng mới tạo ra một kiểu hình mới hoặc tốt hơn hoặc xấu hơn một cân bằng

cũ Nếu kiểu hình mới tốt hơn thì xuất hiện ưu thế lai

Từ những nghiên cứu đ0 tiến hành, nổi lên một vấn đề là cơ sở di truyền

về ưu thế lai ở lúa chưa biết cặn kẽ như một số cây trồng khác Nghiên cứu di truyền về khả năng kết hợp về năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất đ0 chứng minh vai trò của cả hai yếu tố ảnh hưởng cộng tính và không cộng tính Hiện tượng không cộng tính bao gồm cả tính trội và lấn át

2.1.3 Quá trình phát triển lúa lai trên thế giới và ở Việt Nam

2.1.3.1 Quá trình phát triển lúa lai ở Trung Quốc

Trung Quốc là nước ủầu tiên sử dụng lúa lai trong sản xuất ủại trà Sau khi hoàn thiện công nghệ lúa lai ba dòng vào năm 1976, diện tích lúa lai của Trung Quốc đạt 133.000 ha, đến năm 1994 ủạt tới 18 triệu ha Theo giáo sư Yuan LP tại Hội nghị lúa lai tháng 5/2001 tổ chức tại Hà Nội, diện tích lúa lai toàn Trung Quốc năm 2001 là 16 triệu ha, năng suất bình quân là 6,9 tấn/ha tăng 1,5 tấn/ha, so với lúa thuần là 5,4 tấn/ha trên toàn bộ diện tích Diện tích sản xuất hạt lai F1 là 140.000 ha, năng suất bình quân 2,5 tấn/ha Những năm

gần đây các dòng bố mẹ được chọn tạo ra ngày một nhiều, các dòng mới có nhiều ưu điểm như: nguồn tế bào chất bất dục phong phú, khả năng kết hợp cao, khả năng nhận phấn ngoài tốt Tại Hội nghị lúa lai quốc tế lần thứ 5 (11-15/ 9/2008)[66], Giáo sư Yuan L.P Nêu lại mục tiêu chọn giống lúa lai siêu cao sản ở pha III (2006-2015) là: năng suất bình quân 13,5 tấn/ha trên cơ sở cải tiến kiểu hình cây: Tán lá cao thẳng bản lá hẹp lòng mo, vị trí đỉnh bông thấp, bông to, năng suất tích lũy cao trên cơ sở sử dụng bố mẹ xa huyết thống (indica/japonica) và sử dụng gen tương hợp rộng để khắc phục hiện tượng hạt lép lửng

Theo Ma QH., Yuan LP.(2003)[67] thì 50% diện tích lúa lai đóng góp 60% sản lượng, góp phần tăng sản lượng thóc 22,5 triệu tấn/ năm, tạo điều kiện để Trung Quốc giảm 6 triệu ha đất trồng lúa kém hiệu quả sang trồng những cây có hiệu quả kinh tế cao hơn

Cheng SH và cs (2008)[32] cho rằng đ0 có 2 cuộc cách mạng cải tiến giống lúa là: Cách mạng xanh lần thứ nhất khai thác tính ưu việt của gen lùn sd1 đưa năng suất lúa từ 2 tấn lên 5 tấn/ha Cách mạng xanh lần thứ hai khai thác gen Ms (CMS, tms, pms) và Rf, đưa năng suất từ 5 tấn lên 7 tấn/ha Ông cho rằng cần có chiến lược khai thác ưu thế lai hợp lý, cụ thể là: (i) Khai thác sử dụng nguồn bất dục ủực ủa dạng, hiện đ0 tìm kiếm và khai thác 9 kiểu bất dục

đực di truyền tế bào chất: Kiểu WA (Hải Nam), kiểu G (Gambiaka), kiểu D (Disi D52/37), kiểu ID (Indonexia 6), kiểu DA (Dwarf wild rice), kiểu K (Japonica K52), kiểu HL (Red-awned wild rice), kiểu BT (Chishurat BoroII/Taichung 65), kiểu DT (Japonica ðai Bắc 8) Phát triển các dòng bất dục ủực có chất lượng gạo cao, nhận phấn ngoài cao Chọn tổ hợp lai mới có kiểu cây lý tưởng với ưu thế lai giữa các loài phụ Hiện nay các giống lúa lai mới như Quốc ủạo 1, 2, 3 có bố

là dòng R8006 (mang gen kháng bạc lá Xa21) đang phát triển mạnh Sử dụng chọn lọc có sự trợ giúp của chỉ thị phân tử MAS

Theo Qifa Zhang (2008) [48], đề xuất chiến lược mang ý nghĩa kinh tế với 3 mục tiêu: Giảm đầu vào; Sản lượng cao; Bảo vệ môi trường tốt Muốn thực hiện được 3 mục tiêu này cần tạo giống chống chịu sâu bệnh, chịu hạn,

năng suất cao và có thể giảm lượng thuốc hóa học phải sử dụng để phòng trừ sâu bệnh; Giảm phân bón hóa học; Tiết kiệm nước tưới; Nâng cao năng suất

và chất lượng gạo lúa lai

Wang Feng (2008) [52] cho rằng gạo lúa lai là F2 nên phân ly, chất lượng phụ thuộc vào các tính trạng: ðộ trong của nội nhũ, hàm lượng amyloza, nhiệt độ hóa hồ, độ bền thể gel, độ bạc bụng Cần có chiến lược cải tiến chất lượng gạo lúa lai bởi vì giá bán gạo phụ thuộc vào chiều dài, chiều rộng, hình dạng hạt Chiều dài, chiều rộng, hình dạng phụ thuộc kiểu gen cây mẹ: Hạt dài trội so với hạt ngắn, kích thước hạt ủược xác ủịnh bởi dòng mẹ Màu nội nhũ ủược xác ủịnh bởi hàm lượng amyloza: dao ủộng từ ủục (Waxy hoặc dull) sang trong (translucenxy) theo chiều hàm lượng amyloza tăng dần

+ Hàm lượng amyloza ủược kiểm soát bởi gen Wx nằm trên NST số 6, AC2, AC5 trên NST số 2, số 5, độ bền thể gel cứng là trội, mùi thơm do gen lặn kiểm soát: gen fgr trên NST số 8, số 2 và một số gen phụ trên NST số 3 và số 4

Chang XiangMao (2008) [31] chia quá trình nghiên cứu phát triển lúa lai ở Trung Quốc thành 4 giai đoạn chính: Giai đoạn 1: 1964-1975: Nghiên cứu chọn tạo, phát hiện kiểu bất dục WA, dòng B, ủến 1972-1973 hoàn thiện

hệ thống ba dòng Giai đoạn 2: 1976-1990: Giai đoạn phát triển nhanh, diện tích lúa lai thương phẩm mở rộng nhanh từ 0,14 triệu ha (1976) lên 15 triệu ha năm 1990; Năng suất hạt lai F1 tăng Giai đoạn 3: 1990-2000 là giai ủoạn phát triển chiến lược: ðề xuất chiến lược chọn giống lúa lai ba dòng, hai dòng

và một dòng; Chiến lược lai xa giữa các loài phụ; Khởi sướng siêu lúa lai Giai đoạn 4: Từ 2001- 2009: Giai ủoạn phát triển mới: Siêu lúa lai ủạt 16-19 tấn/ha trên diện tích nhỏ, 10-13 tấn/ha diện tích lớn; Tăng diện tích lúa lai hai dòng; Có 10 tỉnh phát triển lúa lai lớn chiếm 90% tổng diện tích lúa lai ở Trung Quốc

2.1.2.2 Quá trình phát triển lúa lai ở các nước khác

- Tại ấn Độ, B.C.Viraktamath et al (2008) [51] diện tích sử dụng lúa lai tăng nhanh: Năm 1995 là 0,1 triệu ha, đến 2007 là 1,1 triệu ha, đ0 chọn tạo

và công nhận được 33 tổ hợp lai Kế hoạch năm 2010 sẽ gieo cấy 3 triệu ha

và 2020 là 6 triệu ha Việc mở rộng diện tích lúa lai hoàn toàn phụ thuộc vào hiệu quả kinh tế của sản xuất hạt lai F1 Năm 1995 sản lượng F1 là 200 tấn, năm 2007 là 19.000 tấn, và đến năm 2010 và 2020 sẽ phải đạt 50.000

và 100.000 tấn tương ứng (Nirmala B., 2008) Hiện nay tại ấn Độ, 95% hạt lai F1 do công ty tư nhân sản xuất Tỷ suất lợi nhuận của sản xuất hạt lai F1

là 1,84 nên có thể coi đây là ngành kỹ thuật có hiệu quả kinh tế cao Trên 90% hạt lai được sản xuất tại 2 huyện của ấn Độ là: Andhra Pradesh, viz., Karimnagar và Warangal Nếu nhu cầu hạt lai F1 tăng, tất yếu phải tăng diện tích sản xuất, cần khẩn trương xác định vùng phù hợp cho sản xuất hạt lai trên diện tích rộng

- Srilanka là nước nghèo, năng suất lúa thấp 4,1 tấn/ha, theo kế hoạch

đến 2013 năng suất phải đạt 5,1 tấn/ha mới đảm bảo an ninh lương thực, tuy nhiên nếu cải tiến giống lúa thuần, năng suất tăng 0,03 tấn/ha/năm, thì mất 25 năm mới đạt 5,1 tấn/ha Vì vậy cần phát triển lúa lai vì năng suất lúa lai vượt lúa thuần 15-20%, tiềm năng có thể đạt 12 tấn/ha, nếu Srilanka gieo trồng khoảng 10.000 ha lúa lai thì sẽ giải quyết được vấn đề an ninh lương thực Vào cuối những năm 1970, Srilanka đ0 bắt đầu nhập lúa lai Trung Quốc để nghiên cứu nhưng không thích ứng, sau đó họ tự cải tiến các dòng CMS của Trung Quốc để sử dụng cũng chưa tìm ủược dòng thích ứng

- Tại Indonexia, Satoto và Hasil Sembiring (2008) [49] đ0 khảo nghiệm

35 giống lúa lai nhập nội trên một số vùng trồng lúa nhưng không phát triển

được vì các giống này có TGST quá ngắn, mẫn cảm với các loại sâu bệnh Công tác nghiên cứu trong nước mới chỉ bắt đầu, chưa tổ chức sản xuất hạt lai F1, chương trình chọn giống lúa lai kháng rầy, kháng bạc lá mới ủưa ra ủược một số tổ hợp triển vọng

- Tại Mỹ, Xueyan Sha, Steve D Linscombe, S Brooks, Blanche, and Donald E Groth (2008) [56], báo cáo lúa lai thương phẩm sử dụng từ năm

2000 do Công ty RiceTec đảm nhiệm Tổ hợp đầu tiên là XL6

(indica/indica), Tiếp theo là CLXL8, thương mại hóa vào 2003 Theo báo cáo của RiceTec, đến 2007 lúa lai chiếm khoảng 18-20% diện tích lúa của miền Nam nước Mỹ (14 -16% của cả nước mỹ), năng suất tăng 21- 40% so với giống lúa thuần tốt nhất Tuy nhiên theo một số công bố khác thì các giống phổ biến như: XL8, CLXL8, XL723 năng suất chỉ tăng khoảng 17-21% so với lúa thuần Lúa lai sẽ tiếp tục phát triển tại Mỹ nhưng sự phát triển phụ thuộc vào khả năng giảm giá hạt lai, cải tiến chất lượng lúa lai thương phẩm (tỷ lệ gạo xát, hình dạng hạt )

- Tại Philippine theo Madonna và cs (2008) [42] diện tích lúa lai năm

2004 đạt 192.330 ha, ông cho rằng phát triển lúa lai là chiến lược quan trọng nhất đảm bảo an ninh lương thực quốc gia Vì vậy, kế hoạch phát triển diện tích năm 2010 là 1,14 triệu ha với sản lượng 6,8 triệu tấn thóc, đ0 cơ giới hoá khâu thu hoạch hạt lai, diện tích sản xuất hạt F1: 1.500 ha/năm

Về sản xuất hạt lai F1 Nguyễn Văn Ngưu (đại diện FAO)[45] tổng kết rằng đến 2008 năng suất sản xuất hạt lai F1 vẫn chưa có tiến bộ đáng kể, bình quân chung thế giới mới đạt 1,5 tấn/ha, trong đó Trung Quốc 2,5 tấn/ha, ấn

Độ 2 tấn/ha làm cho hiệu quả kinh tế từ lúa lai không cao Đây là nguyên nhân cơ bản hạn chế việc mở rộng diện tích lúa lai Để đảm bảo an ninh lương thực và góp phần tăng thu nhập của người dân thì lúa lai có thể đáp ứng cả 2 nhu cầu này nếu công tác chọn tạo giống lúa lai luôn tìm ra giống mới ngày càng tốt hơn và năng suất sản xuất hạt lai ngày càng cao hơn

2.1.3.3 Quá trình phát triển lúa lai ở Việt Nam

Lúa lai có mặt tại Việt nam gần 20 năm và đ0 chứng tỏ được nhiều ưu thế vượt trội, Năng suất lúa lai cao hơn lúa thuần từ 10-15%[8] diện tích lúa lai năm sau thường cao hơn năm trước Năn 2003 đạt 600.000ha năm 2004 đạt 650.000ha và đến năm 2009 diện tích lúa lai đạt trên 709.816 ha [4]

Năng suất lúa lai dao động không nhiều từ 60,4-65,5 tạ/ha/vụ Cao hơn bình quân năng suất lúa của cả nước từ 10-13 tạ/ha/vụ và diện tích lúa lai vụ xuân thường cao hơn vụ mùa

 Những thành tựu về nghiên cứu chọn tạo giống mới

Lúa lai ba dòng được nghiên cứu và chọn tạo chủ yếu tại Trung tâm nghiên cứu và phát triển lúa lai Viện Cây lương lương thực và cây thực phẩm, một số công ty và các đơn vị nghiên cứu khác Hiện nay các dòng CMS đang

sử dụng tại Việt Nam là: BoA, II32A, IR50825A, IR 68897A, 137A và các dòng duy trì tương ứng Song song với quá trình này các nhà nghiên cứu cũng chọn tạo ra hàng trăm dòng phục hồi phấn phục vụ cho chương trình lai tạo Mỗi năm thường lai tạo khoảng 2000 tổ hợp lai, qua đánh giá khảo nghiệm đ0 chọn ra một số tổ hợp lai triển vọng như: HYT83, HYT92, HYT100, hoàn thiện qui trình nhân dòng và sản xuất hạt F1 của các tổ hợp: Bắc ưu 903, Bắc

ưu 64, Bắc ưu 253, Nhị ưu 838, Nhị ưu 63, D ưu 527, CT 16 [2][3] [12][13][15][16]

Song song với việc nghiên cứu chọn tạo lúa lai ba dòng, nghiên cứu chọn tạo lúa lai hai dòng cũng đạt được một số thành tựu hết sức có ý nghĩa Các nhà khoa học đ0 chọn tạo thành công một số giống lúa lai hai dòng như: Việt lai 20, TH3-3, TH3-4, Việt Lai 24, TH3-5, HC1 đ0 được công nhận quốc gia

và nhiều tổ hợp lai mới đ0 được công nhận sản xuất thử như: TH5-1, TH7-2, HYT102, HYT103, LC212, LC270 LHD6, HYT108 [4] [5][7] [9][14] [18] [29] Các giống lúa lai hai dòng trong nước đều có thời gian sinh trưởng phù hợp với vụ mùa, vụ hè thu và xuân muộn ở miền Bắc, ít nhiễm sâu bệnh, khả năng thích ứng rộng trên nhiều chân đất, nhiều vùng khí hậu, năng suất cao, chất lượng tốt

Hiện nay với khoảng 20 dòng bất dục bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ (TGMS) như: T1S-96, T24S, T29S, T27S, 103S, T63S, T141S, 135S

(Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội),TGMS1, TGMS2, TGMS3, VN-TGMS4, , VN-TGMS11, VN-TGMS12, AMS 31S, AMS 32S, AMS 33S (Viện cây lương thực và cây thực phẩm), TG1, TG2, TG4, TG22 (Trung tâm khảo kiểm nghiệm giống, sản phẩm cây trồng và phân bón Quốc gia), Và nhiều nguồn vật liệu nhập nội khác đ0 và đang được phân lập để đưa vào sử dụng như: IR827S, IR534S T47S, T7S [13]

VN-Ngoài ra Việt Nam cũng thành công trong việc chọn tạo ra dòng P5S cảm

ứng với quang chu kỳ ngắn phù hợp với điều kiện khí hậu nước ta, mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc chọn tạo và sản xuất lúa lai hai dòng [22][25][26]

 Phát triển lúa lai thương phẩm

Sản xuất lúa lai thương phẩm những năm qua không ngừng tăng thêm cả về diện tích và năng suất, năm 2007 diện tích lúa lai vào khoảng 600.000 ha, chiếm khoảng 85% diện tích lúa cả nước, đến năm 2009 đạt 709.816 ha [4] diện tích lúa lai trong vụ xuân chiếm 58%, trong vụ mùa là 42% Hiện tại có khoảng 94% diện tích lúa lai được gieo cấy ở các tỉnh phía Bắc, duyên hải Nam Trung Bộ chiếm 4,9% và Tây Nguyên chiếm 1,6% [21][36][46]

Những năm gần đây diện tích sản xuất hạt lai ngày càng được mở rộng, năng suất lúa lai thương phẩm đạt 63-65 tạ/ha/vụ, năng suất bình quân cao hơn lúa thuần 10 tạ/ha/vụ có nơi cao hơn từ 15-20 tạ/ha/vụ.[8] Các tỉnh có diện tích trồng lúa lai nhiều đều có năng suất lúa tăng Đặc biệt hai tỉnh Nghệ

An và Thanh Hóa có năng suất lúa năng 2004 tăng gấp hai lần năng suất lúa năm 1992 Một số tỉnh trồng lúa lai với diện tích lớn là Nam Định, Thanh Hóa, Nghệ An, Thái Bình, Ninh Bình, Hà Nam, Phú Thọ, Lào Cai, Yên Bái Diện tích lúa lai ngày càng được mở rộng đến các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên như: Quảng Nam, Quảng Ng0i, Bình Định, Kon Tum, Gia Lai,

Đăk Lăk [2]

2.2 Các hệ thống bất dục đực ở lúa

Đặc điểm của dòng bất dục đực là cơ quan sinh sản cái phát triển bình thường, có thể tiếp nhận hạt phấn, thụ tinh và đậu hạt Tuy nhiên ở dòng bất dục đực thì cơ quan sinh sản đực có hình thành nhưng phát triển không bình thường nên không có hạt phấn hoàn chỉnh để thụ tinh và cho hạt tự thụ Hạt lai

do dòng mẹ nhận phấn ngoài sinh trưởng phát triển và cho ưu thế lai như con lai sản xuất theo phương pháp khử đực Hiện nay có nhiều hệ thống bất dục

đực được phát hiện ở cây tự thụ phấn chéo thì thành công rộng r0i là ứng dụng hệ thống bất dục đực tế bào chất (CMS) và ở một số cây trồng khác bất dục đực chức năng di truyền nhân cũng được ứng dụng thành công [10]

Bất dục đực được chia làm hai nhóm:

- Bất dục đực tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterility - Kí hiệu là CMS)

- Bất dục đực di truyền nhân (Nuclear Male Sterility)

=> Bất dục đực tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterility - Kí hiệu là CMS)

Tính bất dục đực của kiểu bất dục đực tế bào chất được kiểm soát bởi gen trong tế bào chất kiểm soát Đặc tính bất dục đực tế bào chất được di truyền theo dòng mẹ, khi lai cây này với cây bình thường có thể sẽ thu được con lai bất dục (cây cho phấn có khả năng duy trì bất dục)

Hiện tượng bất dục đực tế bào chất được giải thích do sự bất tương hợp genom giữa hai bố mẹ trong phép lai hoặc do kết quả của dung hợp tế bào trần khác loài

Cơ chế di truyền kiểm soát tính trạng bất dục đực tế bào chất

Nghiên cứu về tái tổ hợp gen và tương tác giữa gen nhân của các dòng cho phấn với gen tế bào chất của các dòng bất dục đực tế bào chất, Rhoades,

1931 và Edwardson, 1953 cho rằng có ba kiểu phản ứng khác nhau

1, Duy trì tính bất dục đực tế bào chất  con lai giữa dòng cho phấn biểu hiện bất dục đực

2, Phục hồi tính hữu dục đực  con lai giữa dòng CMS với dòng cho phấn biểu hiện hữu dục đực

3, Phục hồi hoặc duy trì tính bất dục đực không hoàn toàn: Con lai giữa dòng CMS với dòng cho phấn biểu hiện bất dục hoặc hữu dục không hoàn toàn (hữu dục đực một phần)

Cơ chế di truyền kiểm soát phản ứng duy trì bất dục đực hoặc phục hồi hữu dục cho đến nay vẫn chưa có một quan niệm hoàn toàn thống nhất

=> Bất dục đực di truyền nhân (Nuclear Male Sterility)

Là hiện tượng phổ biến trong tự nhiên, được hình thành do đột biến tự nhiên, đột biến nhân tạo, do lai xa hoặc tạp giao giữa các thể đột biến bất dục với dạng không bất dục Bất dục đực nhân có thể phân thành hai nhóm: Các dòng bất dục đực nhân di truyền ổn định và các dòng bất dục đực nhân hai chức năng cảm ứng với điều kiện môi trường Về nguyên lý di truyền của hiện

tượng bất dục đực này còn có nhiều cách giải thích khác nhau: Drilsoll, 1986 (trích theo Nguyễn Văn Hiển (chủ biên), 2000) [10] cho rằng kiểu bất dục đực này được điều khiển bởi một gen lặn ms, tuy nhiên Mathias, (1985) lại cho rằng do một số gen trội kiểm soát như ở cây Hướng Dương Duvick, (1966) cho rằng tần suất tạo bất dục đực nhân khá cao và thể gặp ở tất cả các loài thực vật lưỡng bội như Ngô, cà chua và lúa mì đ0 tới gần 100 gen gây bất dục

đực được phát hiện Cho đến nay hệ thống lai hai dòng đ0 được khám phá và

đ0 được sử dụng ở một số loài cây trồng như lúa mì, cao lương, cải dầu, bông

… Theo Yuan L.P (1997) [64] một số giống lai hai dòng của bông, cao lương

đ0 được đưa vào thử nghiệm năng suất hoặc chuyển giao cho sản xuất tại các nông hộ, năng suất đ0 tăng so với đối chứng khoảng 30% năm 1996

ứng dụng lớn nhất của bất dục đực di truyền nhân là dạng bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ (TGMS) và mẫn cảm với thời gian chiếu sáng (PGMS) Tuy nhiên kiểu bất dục đực loại này có hạn chế là khó có thể tạo ra quần thể bất dục hoàn toàn và tính trạng này có độ biến động lớn khi điều kiện môi trường thay đổi

Lúa là cây tự thụ phấn vì vậy muốn sản xuất hạt lai F1 phải sử dụng một

hệ thống bất dục đực Hệ thống bất dục đực tế bào chất đ0 được dùng khá phổ biến ở Trung Quốc và một số quốc gia trong mấy thập kỷ qua để sản xuất lúa lai “ba dòng” Hiện nay hệ thống bất dục đực mẫn cảm với điều kiện môi trường cũng đang được sử dụng để phát triển lúa lai đặc biệt để nâng cao mức

ưu thế lai, các gen tương hợp rộng cũng đ0 được khai thác để phát triển các tổ hợp lai giữa các loài phụ Indica/Japonica Trong các nghiên cứu và sử dụng

ưu thế lai ở lúa, các nhà khoa học cũng đ0 phát hiện được đầy đủ các dạng bất dục đực như ở một số cây trồng khác là lúa mì, ngô, cao lương …

2.2.1 Bất dục đực tế bào chất và hệ thống lúa lai ba dòng

Để sản xuất hạt lai F1 của hệ thống lúa lai “ba dòng” luôn cần phải sử dụng ba loại dòng có bản chất di truyền khác nhau: Dòng bất dục đực tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterility - Kí hiệu là CMS) được gọi là dòng A Dòng duy trì bất dục đực (Maintainer line) được gọi là dòng B và dòng phục hồi hữu

dục (Restores line) được gọi là dòng R

 Dòng bất dục đực tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterility - Dòng A) Trong sản xuất lúa lai “ba dòng” người ta sử dụng dòng bất dục đực tế bào chất làm dòng mẹ, cơ chế của sự bất dục đực là tương tác giữa gen trong

tế bào chất và gen nhân Dòng bất dục đực tế bào chất CMS được sử dụng để phát triển lúa lai thương phẩm đầu tiên tại Trung Quốc vào năm 1973 Theo Yuan L.P cho biết dòng bất dục đực này được tạo ra từ một cá thể trong quần thể lúa dại Oryza f.spontanea mọc ở đảo Hải Nam năm 1964 Cây lúa này có hạt phấn bị thui chột (W.A) từ đó rất nhiều dòng bất dục CMS khác đ0 được chọn tạo tại Trung Quốc, IRRI và nhiều nước khác từ nguồn lúa dại và lúa trồng (Lin và Yuan L.P, 1980)[38] Bất dục đực tế bào chất cũng được xác

định ở một dạng địa lý khác của loài O perenis Tỷ lệ bất dục đực tế bào chất

ở các dòng có nguồn gốc châu á là 64% và châu Mỹ là 4% Năm 1988, tại Trung Quốc đ0 phát hiện 62/300 dòng bất dòng bất dục đực có nguồn tế bào chất của loài O.rufipogon

Khi nghiên cứu về dòng bất dục đực tế bào chất các nhà khoa học đ0 rút ra kết luận về khả năng tạo dòng CMS và dòng duy trì tương đồng như sau: [23]

+ Sự tồn tại của dòng bất dục đực tế bào chất phụ thuộc vào sự tương

đồng giữa tế bào chất và nhân Khoảng cách giữa tế bào chất và nhân của dòng mới được nạp tính trạng bất dục TBC càng lớn thì tần số xuất hiện bất dục đực tế bào chất và duy trì của nó càng lớn

+ Sự sai khác về mức độ bất dục phấn phụ thuộc vào sự kết hợp giữa tế bào chất và nhân Bất dục hạt phấn lúa có thể quan sát từ giai đoạn đơn nhân sớm (Từ trước khi phân bào nguyên nhiễm lần 1 để hình thành hạt phấn đến giai đoạn hai nhân - Trước khi tung phấn) Nếu sự thui chột xảy ra ở giai đoạn càng sớm thì tỷ lệ bất dục không hạt phấn càng lớn

+ Theo các nhà khoa học đ0 nghiên cứu thì tác nhân tạo nên bất dục đực CMS tùy thuộc vào sự đa dạng của các nguồn tế bào chất và nhân Zhou (1994)[67] đ0 công bố hầu hết lúa lai thương mại tại Trung Quốc đều từ

nguồn bất dục tế bào chất kiểu WA (87%) tiếp đó là Di (7,8%),

CMS-DA (2,6%)… Vì kiểu bất dục đực CMS-WA cho các dòng ổn định với tần số các dòng phục hồi cao Do vậy các nhà chọn tạo giống đ0 phát triển hệ thống lúa lai “ba dòng” trên nền bất dục này là chính

Để sử dụng các nguồn bất dục đực TBC trong chọn giống lúa lai trước hết phải sản xuất được dòng CMS Bản thân dòng CMS không có khả năng tạo

ra hạt phấn hữu dục, do vậy không có khả năng tự thụ phấn, thụ tinh để sản xuất hạt dòng CMS mà cần phải có dòng duy trì bất dục (được gọi là dòng B)

để sản xuất dòng bất dục đực kiểu CMS

 Dòng duy trì bất dục (Maintaimer: Dòng B)

Dòng duy trì bất dục đực là dòng được sử dụng làm dòng cho phấn dòng CMS để nhận hạt của dòng CMS thế hệ tiếp sau Về mặt cấu trúc tế bào, các gen trong tế bào chất kiểm soát tính trạng hữu dục, gen trong nhân là gen lặn kiển soát tính trạng bất dục phấn Do vậy dòng duy trì luôn cho hạt phấn hữu dục và quá trình thụ phấn thụ tinh bình thường nên tỷ lệ kết hạt cao Tuy nhiên về kiểu gen thì gen nhân của dòng CMS và của dòng duy trì giống nhau,

do vậy biểu hiện về hình thái của dòng CMS nhận được sau khi thụ phấn của dòng B sẽ giống hệt dòng CMS ban đầu và không xảy ra sự phân ly các tính trạng ở dòng CMS

Như vậy, dòng B và dòng CMS là một cặp song sinh, chỉ khác nhau duy nhất một tính trạng hữu dục hạt phấn Để có dòng CMS ổn định thì quá trình chọn tạo và duy trì dòng B phải đạt yêu cầu tối đa về độ thuần và sự giống nhau giữa dòng CMS và dòng B

 Dòng phục hồi hữu dục (Fertility Restoration: Dòng R)

Gen phục hồi tính hữu dục là gen trội trong nhân tế bào (RR) Có giống lúa chứa 1 cặp gen trội, có giống lúa chứa 2 cặp gen trội Giống lúa nào có chứa 2 cặp gen trội thường có khả năng phục hồi mạnh hơn giống lúa có chứa

1 cặp gen phục hồi Các dòng phục hồi chỉ thể hiện khả năng phục hồi khi lai với các dòng bất dục đực cùng loài phụ mà không có khả năng phục hồi cho các dòng khác loài

Theo công bố của các tác giả: Lin and Yuan, 1980[38], tại Trung Quốc cùng nhiều tác giả khác ở các nước như ấn Độ, Philippin, Thái Lan cho rằng với dạng bất dục đực CMS-WA đ0 có hàng trăm dòng phục hồi phấn tốt được xác định thuộc các giống lúa trồng và các dòng mới chọn tạo có triển vọng Tuy nhiên còn một số hệ thống bất dục đực CMS vẫn chưa xác định được dòng phục hồi tương ứng như CMS -TN, CMS-MS 577 và CMS-O …

Các nghiên cứu cũng đ0 kết luận tần suất các dòng phục hồi tính hữu dục có trong các giống có nguồn gốc ở vĩ độ thấp luôn cao hơn các giống có nguồn gốc ở vĩ độ cao Tần suất các dòng phục hồi ở lúa Indica luôn cao hơn ở lúa Japonica Theo Yuan L.P., 1985 ở Trung Quốc tần số dòng phục hồi ở lúa Indica dài ngày cao hơn ở lúa Indica ngắn ngày [60]

Theo công bố của các nhà khoa học ở các nước như: Trung Quốc, ấn

Độ, Philippin, Thái Lan, … thì gen kiểm soát tính trạng phục hồi của dạng bất dục bào tử thể CMS-bo và CMS-D đ0 tạo ra hữu dục phấn không hoàn toàn, nhưng cho các bông hữu dục bình thường Di truyền của các gen phục hồi ở dòng CMS-bo, CMS-D là đơn gen hay hai gen cùng allen (Hu và Li, 1985) Teng và Shen, 1994 cũng công bố gen phục hồi cho dòng CMS-bo là gen trội Rf-1cos trong dòng C57

Ngoài ra các nghiên cứu còn khẳng định các dòng R khác nhau có khả năng phục hồi phấn ở đời F1 cũng khác nhau và nó phụ thuộc vào kiểu gen và

điều kiện môi trường

2.2.2 Bất dục đực di truyền nhân và hệ thống lúa lai hai dòng

Nghiên cứu cơ sở di truyền của hiện tượng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với điều kiện môi trường các nhà khoa học cho rằng: Các dòng khác nhau thì phản ứng khác nhau với sự thay đổi của điều kiện môi trường và tính trạng nhạy cảm với môi trường của cả hai loại PGMS và TGMS đều do một cặp gen lặn nằm trong nhân kiểm soát và được ký hiệu là pms hoặc tms[23] Ngưỡng chuyển hóa của các dòng EGMS rất khác nhau tùy thuộc vào bản chất gen của mỗi dòng (Lu và cs, 1994) [41]

+ Dòng bất dục đực di truyền nhân cảm ứng với điều kiện nhiệt độ (Thermo sensitive Genic Male Sterile - TGMS): Dòng TGMS nói chung bất dục đực khi gặp nhiệt độ trung bình ngày cao và hữu dục khi gặp nhiệt độ trung bình ngày thấp vào thời kỳ lúa phân hóa đòng từ cuối bước 3 đến bước 6 [23][24] thời kỳ này được gọi là thời kỳ cảm ứng Gen kiểm soát tính cảm ứng với sự thay đổi của điều kiện nhiệt độ là một cặp gen lặn, ký hiệu là tms Gen tms hoạt động hai chức năng: Điều khiển sự tạo thành hạt phấn hữu dục và tự kết hạt khi gặp nhiệt độ thấp và điều khiển sự tạo thành hạt phấn bất dục khi gặp điều kiện nhiệt độ cao Dòng mang gen hoạt động hai chức năng như vậy gọi là dòng bất dục đực chức năng di truyền nhân Cặp gen lặn tms trong nhân

tế bào hoạt động có điều kiện và chỉ biểu hiện ra tính trạng khi điều kiện thích hợp xuất hiện đúng vào thời kỳ cảm ứng Thời kỳ cảm ứng nhiệt độ của các dòng biến động từ 10 đến 15 ngày trước khi lúa trỗ (từ khi tế bào mẹ hạt phấn hình thành đến khi kết thúc phân chia giản nhiễm) Nhiệt độ tới hạn gây bất dục đực của các dòng có thể rất khác nhau (từ 23 - 290C) [23][24]

Trong thời kỳ cảm ứng của các dòng TGMS khi nhiệt độ đang cao mà bỗng nhiên xuất hiện mưa to, gió lớn hoặc gió múa đông bắc làm nhiệt độ hạ xuống thấp đến dưới mức tới hạn gây bất dục đực trong vòng 2-4 ngày liên tục thì dòng TGMS sẽ tạo ra hạt phấn hữu dục với một tỷ lệ nhất định đủ để sinh

ra hạt tự thụ phấn [23]

Các nhà khoa học đ0 xác định được vị trí của 5 gen qui định tính bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ: tms1, tms2, tms3, tms4, tms5 nằm trên nhiễm sắc thể số 8, 7, 6, 9 và 2 [34][40]

+ Dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với điều kiện quang chu

kỳ (Photoperiodic-sensitive Genic Male Sterility: PGMS)

Dòng PGMS cảm ứng với độ dài thời gian chiếu sáng trong ngày, các dòng PGMS gây tạo tại Trung Quốc cảm ứng với độ dài ngày dài bởi vì chúng có nguồn gốc phát sinh ở vĩ độ cao, dòng Nongken58S là dòng được phát hiện

đầu tiên tại Trung tâm Nghiên cứu lúa lai Hồ Bắc, dòng này bất dục vào mùa

hè khi ngày dài trên 14 giờ, và hữu dục khi độ dài ngày ngắn dưới 13 giờ 45

phút Cường độ ánh sáng tới hạn gây bất dục là 50 lux, Những loại dòng PGMS phản ứng như vậy chỉ có thể sử dụng ở Trung Quốc hoặc những Quốc gia nào ở vĩ độ cao Vào mùa hè thời gian chiếu sáng dài sẽ tổ chức sản xuất hạt lai Nhân dòng bất dục được tiến hành ở các vùng có vĩ độ thấp hơn, thời gian chiếu sáng trong ngày ngắn Tính mẫn cảm quang chu kỳ được một cặp gen lặn điều khiển (ký hiệu là gen pms) Gen pms hoạt động hai chức năng: Gây bất dục khi pha sáng trong ngày dài, và hình thành hạt phấn hữu dục khi pha sáng trong ngày ngắn Song tính cảm quang lại phụ thuộc khá nhiều vào nhiệt độ Trong một giới hạn nhiệt độ nhất định thì độ dài ngày có thể không

có hiệu quả đối với quá trình chuyển hóa tính dục của dòng Giới hạn nhiệt cao ảnh hưởng tới độ an toàn của quá trình nhân dòng bất dục trong điều kiện ngày ngắn, còn giới hạn nhiệt thấp lại ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất hạt lai trong điều kiện ngày dài Để một dòng PGMS dễ dàng sử dụng thì giới hạn nhiệt độ dưới gây bất dục đực trong điều kiện ngày dài cần phải thấp

và khoảng nhiệt độ mẫn cảm ánh sáng cần phải rộng Ngoài ra giai đoạn mẫn cản quang chu kỳ chỉ xảy ra khi dòng bất dục đang phân chia giảm nhiễm tế bào mẹ hạt phấn tương ứng với thời kỳ phân hóa đòng từ bước 4 đến bước 6, còn các giai đoạn khác thì sự thay đổi quang chu kỳ không gây ảnh hưởng đến gen kiểm soát tính bất dục đực ( Nguyễn Thị Trâm, 2000) [24]

Hiện nay các nhà khoa học đ0 xác định vị trí của 3 gen pms1, pms2, pms3 nằm trên nhiễm sắc thể số 7, 3 và 12 [40] Các nhà khoa học cho rằng gen qui

định tính bất dục đực ở các dòng PTGMS có ở 6 trong số 12 nhiễm sắc thể của lúa đó là nhiễn sắc thể số 3, 5, 6, 7, 11 và 12 ( Mei et al, 1999) [43]

Tiêu chuẩn của dòng EGMS tốt

Yuan LP đề nghị rằng có thể dùng các tiêu chuẩn đánh giá dòng CMS

để đánh giá dòng EGMS Ngoài ra còn có một số tiêu chuẩn đặc thù riêng để

đánh giá dòng EGMS tốt như sau:

- Có một quần thể đủ lớn trên 1000 cá thể đồng nhất về các tính trạng nông sinh học như: chiều cao cây, thời gian sinh trưởng, số lá trên thân chính,

đặc điểm hình thái, khả năng chống chịu sâu bệnh …

- Tỷ lệ cây bất dục đạt 100% và ổn định qua các lần gieo, tỷ lệ hạt phấn bất dục cao hơn 99,5% và tỷ lệ đậu hạt trong bao cách ly phải rất thấp (0,5%) hoặc bằng không (0%)

- Giai đoạn bất dục trong điều kiện tự nhiên cần dài hơn 30 ngày Trong giai đoạn phục hồi hữu dục, tỷ lệ hạt tự thụ cần đạt cao trên 30% Trong ruộng sản xuất hạt lai, tỷ lệ nhận phấn ngoài không được thấp hơn dòng CMS tốt

- Sự chuyển hóa hữu dục phải được kiểm tra cẩn thận để xác định rõ phản ứng của dòng với quang chu kỳ hay với nhiệt độ

- Ký hiệu của dòng EGMS được qui định thống nhất là chữ “S” để phân biệt với chữ “A” là kí hiệu dòng cho dòng CMS

Sau một quá trình nghiên cứu gây tạo dòng TGMS, các nhà khoa học Việt Nam đề nghị bổ sung một số chi tiết của tiêu chuẩn cho phù hợp với điều kiện nước nhà và thực tế các dòng mới gây tạo đ0 đạt được như sau: Đối với dòng TGMS vấn đề cần quan tâm là điểm nhiệt độ tới hạn gây hữu dục và giới hạn chuyển hóa bất dục - hữu dục Một dòng TGMS có khả năng sử dụng thuận lợi ở Việt Nam phải có điểm nhiệt độ tới hạn gây bất dục hoàn toàn

>260C, điểm nhiệt độ tới hạn gây hữu dục <240C, Giới hạn chuyển hóa bất dục

- hữu dục càng ngắn càng tốt Dòng đạt tiêu chuẩn như trên thì thời gian bất dục trong điều kiện Việt Nam sẽ dài nên có thể tổ chức sản xuất hạt lai vào mùa hè (trỗ từ 20 tháng 5 đến 15 tháng 9 ở các tỉnh phía Bắc) Tại các tỉnh phía Nam có thể tổ chức sản xuất hạt giống lúa lai hai dòng F1 ở cả vụ Đông- Xuân và vụ Hè - Thu

Theo Nguyễn Thị Trâm và cộng sự (2010) [27] thời vụ và vùng nhân dòng mẹ: vụ Xuân, gieo 15-25/12 ở đồng bằng; vụ mùa, gieo 20-30/6 ở vùng núi có độ cao trên 950 m so với mực nước biển, năng suất đạt 18-35 tạ/ha Thời vụ sản xuất hạt lai F1: Vụ mùa gieo dòng mẹ 10-25/6 ở phía Bắc; vụ xuân muộn gieo dòng mẹ 7-14/2 ở Nam Trung Bộ và Tây Nguyên, Năng suất

từ trung bình đến cao

Các dòng TGMS mới chọn tạo tại Việt Nam có tỷ lệ đậu hạt tự thụ cao

đạt tiêu chuẩn do Yuan LP nêu ra Đối với dòng PGMS thì giới hạn độ dài chiếu

sáng trong ngày khoảng 12 giờ 30 phút là thích hợp cho điều kiện Việt Nam

Dòng cho phấn trong hệ thống hai dòng không nhất thiết phải có gen phục hồi RR như ở hệ thống lúa lai ba dòng Vì vậy nên thống nhất cách gọi chung là dòng cho phấn (Polinaitor), trong thực tế có nhiều dòng R tốt của hệ thống lúa lai ba dòng cũng có thể sử dụng cho hệ thống lúa lai hai dòng

2.2.3 Cố định ưu thế lai và lúa lai một dòng

Hướng nghiên cứu lúa lai “một dòng” là mục tiêu cuối cùng rất quan trọng trong công tác chọn tạo lúa lai Với ý tưởng sử dụng thể vô phối để cố

định ưu thế lai và sản xuất lúa lai thuần Lúa lai “một dòng” được Trung Quốc

và một số nước như Mỹ, Nhật Bản … nghiên cứu theo hướng chuyển các gen Apromixis từ cỏ dại sang cây lúa tạo ra giống đa phôi kết hợp với chọn giống truyền thống là giải pháp hiệu quả để tạo ra giống lúa lai “một dòng” [23] Vấn đề này chưa có kết quả ứng dụng cụ thể, tuy vậy đ0 có nhiều đề tài nghiên cứu quan trọng đang được tiến hành như: gây tạo các dòng bất dục đực

đa phôi với tỷ lệ phôi vô phối cao để sản xuất hạt vô phối, xác định các gen kiểm soát tính trạng vô phối, phương pháp phân lập vô phối… đây là chiến lược phát triển bền vững có cơ sở khoa học và giá trị thực tiễn cao

Để chọn được vật liệu vô phối có thể sử dụng các phương pháp sau:

1 Tuyển chọn vật liệu trong tập đoàn lúa trồng (Oryza sativa L.): Trước hết phân lập vật liệu có khả năng mọc hai đến ba mầm trên một hạt, lai chúng với nhau hoặc với các vật liệu có các đặc điểm nông sinh học mong muốn, hoặc các dòng bố mẹ có khả năng cho ưu thế lai cao Gieo cấy các thế hệ lai rồi chọn những tổ hợp có F2 không phân ly, có các đặc điểm hình thái giống như F1

2 Tuyển chọn thể vô phối trong các loài hoang dại thân thuộc với lúa trồng, tách các gen kiển soát tính trạng sinh sản vô phối rồi chuyển sang lúa nhờ sự trợ giúp của công nghệ gene, công nghệ tế bào …

3 Lai xa giữa chi, loài, tạo các biến dị và chọn thể vô phối, sau đó chuyển sang lúa trồng.[24]

Sinh sản vô phối là một hệ thống chọn giống lý tưởng bởi vì hệ vô phối bao gồm cả dị thể và dòng thuần Nghiên cứu thành công lúa vô phối để cố

định ưu thế lai sẽ là một đóng góp to lớn trong việc đảm bảo an ninh lương thực ở các Quốc gia trồng lúa và thế giới Để đạt đến thành công này cần tập chung nhiều sức lực và trí tuệ của nhiều thế hệ các nhà khoa học đầy tâm huyết và sáng tạo

2.3 Thuận lợi và khó khăn trong duy trì và sử dụng bất dục đực

2.3.1 Những thuận lợi và khó khăn trong sử dụng hệ thống CMS

Ưu điểm khi sử dụng hệ thống bất dục đực tế bào chất

Sử dụng bất dục đực di truyền tế bào chất trong việc khai thác ưu thế lai ở lúa, làm phá vỡ thế “kịch trần” năng suất lúa và là một phương pháp hữu hiện để phát triển các tổ hợp lúa lai ứng dụng bất dục tế bào chất cho

đến nay vẫn đóng vai trò quan trọng trong chương trình phát triển lúa lai của nhiều nước

Sử dụng bất dục đực di truyền tế bào chất có một ưu điển quan trọng là không bị phụ thuộc vào điều kiện thời tiết trong quá trình duy trì dòng bất dục đực

Bất dục đực tế bào chất có những hạn chế sau [23]:

1 Những tác dụng xấu do tế bào chất: Sinh trưởng yếu, năng suất thấp, khả năng chống chịu kém

2 Không có các dòng phục hồi tốt: Trong nhiều trường hợp không có

đủ các dòng phục hồi tốt do vậy các dòng bất dục đực không được sử dụng trong sản xuất

3 Việc thụ phấn gặp khó khăn: Dùng thụ phấn tự nhiên thường không thỏa m0n trừ có Ngô là cây thụ phấn nhờ gió Do vậy tỷ lệ kết hạt không cao, tăng giá thành sản xuất hạt lai Tỷ lệ kết hạt thấp luôn là vấn đề trong sản xuất hạt lai của các cây tự thụ phấn như lúa mì và lúa

4 Có thể có tác động của một số gen bổ trợ làm ảnh hưởng đến tác dụng của bất dục đực tế bào chất Khi dùng lai trở lại (Backcross) để chuyển tính trạng bất dục đực tế bào chất vào một nền di truyền mới, có thể có tác

động đến gen nhân mới chuyển vào nên sẽ tạo ra một số hạt phấn có sức sống

7 ở những cây như lúa mì, thường xảy ra đa bội tự nhiên cộng với việc liên kết với các gen phục hồi do vậy rất khó khăn trong việc chọn và tìm kiếm dòng phục hồi hữu dục (R)

2.3.2 Những thuận lợi và khó khăn trong sử dụng hệ thống EGMS

Những thuận lợi khi sử dụng hệ thống EGMS:

Theo Yuan L.P hệ thống lúa lai “hai dòng” có một số ưu điểm so với lúa lai “ba dòng”:

+ Không cần dòng duy trì bất dục

+ Khả năng tìm dòng cho phấn tốt là rất lớn

+ Năng suất của dòng mẹ luôn cao hơn

+ Không chịu tác động xấu của hiện tượng nghèo nàn về di truyền Hơn thế năng suất của lúa lai “hai dòng” tại trung Quốc đ0 vượt hơn so với lúa lai “ba dòng” bình quân 10% Do vậy chiến lược phát triển lúa lai tại Trung Quốc trong thế kỷ 21 là phát triển lúa lai “hai dòng”

Bất dục đực di truyền nhân có những hạn chế sau:

Lúa lai hai dòng mặc dù đ0 khắc phục được rất nhiều nhược điểm củ hệ thống lúa lai ba dòng song vẫn còn tồn tại một số hạn chế như:

+ Sản xuất hạt lai hai dòng vẫn phải tiến hành hàng vụ trên diện tích rộng, phải cách ly nghiêm ngặt và phải tuân theo một qui trình hết sức chặt chẽ mới có thể 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 tính dự tính

+ Lô hạt giống F1 của hệ thống 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 nhiệt độ trong

quá trình duy trì dòng mẹ Và hạt F1 không thuần nên độ đồng đều không cao, ưu thế lai không bộc lộ hết tiềm năng

2.3.3 Quá trình chuyển hóa bất dục, hữu dục của các dạng bất dục đực

mẫn cảm với môi trường và vấn đề sản xuất siêu nguyên chủng dòng TGMS

Sự chuyển hóa bất dục - hữu dục của dòng TGMS phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ Giai đoạn làm đòng, nhiệt độ cao gây bất dục (t0>25-300C), nhiệt độ thấp (t0<240C) gây hữu dục hoặc hữu dục từng phần Quang chu kỳ không gây ảnh hưởng đến sự thay đổi tính dục của các dòng TGMS

Các dòng TGMS khác nhau thì có ngưỡng chuyển hóa nhiệt độ khác nhau Các nghiên cứu của các nhà khoa học Trung Quốc và một số nước khác trên thế giới đ0 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 Peiải 64S, 735S, HN5-2S [44 Ngưỡng nhiệt độ chuyển hóa bất dục - hữu dục của nhóm này khoảng 23,50C Vì nhóm này có đặc tính bất dục tốt, ổn định và an toàn trong quá trình 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 chuyển hóa hữu dục cao (260C): Các dòng bất dục nhóm này khi duy trì thường đạt năng suất cao Đại diện nhóm này là các dòng 8902S, 5047S, ShuangS Nhóm này rất khó sử dụng trong sản xuất hạt lai

- Nhóm dòng có ngưỡng nhiệt độ chuyển hóa hữu dục cao và nhiệt độ chuyển hóa bất dục thấp 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… [37] 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 [33]

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 hai gen trội là L1 và L2 Hai gen này có khả năng làm giảm ngưỡng nhiệt độ chuyển hóa bất dục của dòng TGMS AnnongS-1 (trích theo Hoàng Tuyết Minh)[19] 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 kiền nhiệt độ cao và bất dục trong điều kiện nhiệt 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 [30] Nhiều nghiên cứu cho thấy giai đoạn mẫn cảm của dòng TGMS từ 16 đễn 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 mẫn cảm của PGMS bắt đầu sớm hơn so với dòng TGMS và giai đoạn mẫn cảm nhiệt độ của dòng PGMS dài hơn so với dòng TGMS [63]

Tính ổn định bất dục ở dòng bất dục đực cảm ứng với nhiệt độ và quang chu kỳ (dòng P(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 EGMS khác nhau trong điều kiện nhân tạo kết quả cho thấy: Sau các chu kỳ nhân, các dòng EGMS đều có sự trượt ngưỡng nhiệt độ gây bất dục Cụ thể dòng Peiải 64S khi xử lý nhiệt độ nhân tạo 23,30C năm 1991 thì có hạt tự thụ

là 0% nhưng sau một số chu kỳ nhân ngưỡng nhiệt độ gây bất dục đ0 tăng lên Khi xử lý nhiệt độ 24,20C năm 1994 thì 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 dục chỉ ở một số ít địa phương, tuy nhiên đến năm

1993 thì dòng này đ0 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 EGMS sẽ tăng ngưỡng nhiệt độ gây bất dục

theo các thế hệ nhân [64]

Qua thực tiễn sản xuất ở các nước, các nhà khoa học đều có nhận xét chung là: Các dòng EGMS nói chung và dòng TGMS nói riêng khi chúng sinh trưởng phát triển trong điều kiên 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 hóa tính dục của hạt phấn thường bị “trôi dạt di truyền” theo su hướng tăng cao dần qua các thế hệ nhân Do đó để sản xuất và sử dụng dòng TGMS an toàn và đạt hiệu quả cao thì việc duy trì sự ổn

định tính dục là cần thiết Để thực hiện điều này các nhà khoa học đ0 đưa ra các qui trình phục tráng và nhân dòng TGMS khác nhau Theo các nhà khoa học trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội trình tự chọn dòng TGMS được thực hiện như sau:

Vụ thứ nhất: Gieo cấy thưa các dòng TGMS cần chọn trong vụ mùa Chọn 100-200 cá thể có kiểu hình đẹp, đúng nguyên bản Khi lúa phân hóa bước 4 đến bước 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 đ0 kiểm tra phấn để đánh giá lại tính bất dục thông qua tỷ lệ đậu hạt tự thụ Các cá thể bất dục hoàn toàn, không đậu hạt trong bao cách ly, Tiến hành bứng gốc của những cá thể này để trồng chét, chăm sóc cẩn thận Khi lúa trỗ tiến hành kiểm tra hạt phấn, đánh giá diễn biến hạt phấn cùng với quá trình quan sát điều kiện thời tiết Các cá thể được chọn tiếp tục nhân vô tính, trồng và tách chét, đợi đến mùa đông để thu hạt tụ thụ và chuyển sang vụ sau nhân nguyên chủng

* Phương pháp đánh giá ngưỡng và chọn lọc khống chế sự “trượt” ngưỡng

Để khai thác và sử dụng đạt hiệu quả cao các dòng EGMS nói chung và dòng TGMS nói riêng thì cần phải đánh giá được sự phản ứng bất dục, hữu dục của dòng đó với điều kiện môi trường tác động trong giai đoạn mẫn cảm

và sự ổn định của chúng Đánh giá tính ổn định của dòng TGMS bao gồm cả

đánh giá trong điều kiện tự nhiên và nhân tạo

 Phương pháp đánh giá dòng EGMS trong điều kiện tự nhiên

Các yếu tố như nhiệt độ, độ dài ngày biến đổi khác nhau giữa các vùng sinh thái khác nhau và giữa các mùa vụ trong một vùng Dựa vào sự biến đổi

để đánh giá tính ổn định của các dòng EGMS với điều kiện môi trường

Theo Sun Zongxiu (2000) [50] để đánh giá dòng EGMS trong điều kiện

tự nhiên thông qua gieo trồng ở các thời vụ khác nhau tại một vùng tiến hành như sau:

Xác định thời gian gieo trồng dựa tren cơ sở hệ thống cây trồng và điều kiện khí hậu tại nơi làm thí nghiệm Thời vụ đầu tiên của dòng EGMS nên gieo cùng với các giống địa phương, các thời vụ sau cứ 10 - 15 ngày gieo một lần, mỗi thời vụ gieo khoảng 50 hạt/dòng, cấy 24 cây mỗi dòng, cấy một dảnh/khóm, kèm đối chứng là một giống lúa lai tốt nhất, một dòng CMS, một dòng EGMS đang sử dụng trong sản xuất

Lấy mẫu và đếm hạt tự thụ: Trước khi lúa trỗ, quan sát cẩn thận quần thể dòng EGMS kiểm tra để loại bỏ những cây khác dạng Khi lúa bắt đầu trỗ lấy

5 hoa chưa nở ở đầu bông chính kiểm tra hạt phấn, sau đó bao cách ly các bông vừa lấy mẫu để tránh thụ phấn ngoài 25 ngày sau khi bao tiến hành thu

và đếm hạt tự thụ của các dòng và lần cuối cùng là sau 10-15 ngày sau giai

đoạn trỗ an toàn của giống địa phương Dựa trên số liệu khí tượng từ trạm khí tượng gần nhất và sự chuyển hóa hữu dục để phân tích mối liên quan giữa điều kiện khí hậu và sự chuyển hóa hữu dục của các dòng EGMS

Đánh giá ở các vùng sinh thái khác nhau: Mục đích chính là kiểm tra khả năng ổn định về tính dục của các dòng EGMS và xác định vùng sinh thái thích ứng của chúng Đánh giá này được thực hiện sau khi các dòng EGMS đ0

được kiểm tra trong điều kiện nhân tạo, Nguyên tắc chính của việc lựa chọn vị trí bố trí thí nghiệm phải đại diện cho vùng sinh thái và tương đối thích hợp Qui trình đánh giá tương tự ở phương pháp đánh giá qua các thời vụ gieo khác nhau Số liệu thu được tại các vùng khác nhau được đánh giá qua phương pháp phân tích bằng máy tính

 Phương pháp đánh giá các dòng EGMS trong điều nhân tạo

Theo Mou T.M [44] và Sun Z.X., (2000) [50] đánh giá đặc tính mẫn cảm nhiệt độ và ánh sáng của các dòng EGMS theo qui trình sau:

- Xây dựng thông số P(quang chu kỳ) và thông số T(Nhiệt độ trung bình ngày) cho việc đánh giá trong phytotron phải đại diện cho vùng sinh thái mà ở

đó các dòng EGMS được gieo trồng

Đối với chu kỳ ánh sáng trong xử lý: Tối thiểu có hai xử lý quang chu

kỳ, một thông số xử lý cho hữu dục và một thông số xử lý cho bất dục Chu kỳ

P bao gồm cả thời gian hoàng hôn và bình minh (thời gian có cường độ chiếu sáng lớn hơn 50 lux)

Đối với chế độ nhiệt: Nhiệt độ trung bình: Phải có ít nhất hai chế độ xử

lý, xử lý nhiệt độ cao cho bất dục và nhiệt độ thấp cho hữu dục Xác định nhiệt độ tối cao và nhiệt độ tối thấp dựa trên số liệu khí tượng của trạm khí tượng địa phương thông thường biên độ nhiệt độ là 8-100C trong thời kỳ sinh trưởng của cây lúa Nhiệt độ tối cao và nhiệt độ tối thấp trong mùa hè là 330C

và 250C và tương ứng trong mùa thu là 280C và 200C Nhiệt độ tối thiểu là

190C Số dòng và cây được kiểm tra cho mỗi dòng phụ thuộc vào kích thước phytotron và chương trình chọn tạo

Từ các kết quả nghiên cứu được các nhà khoa học Trung Quốc đ0 đúc kết thành các phương pháp chọn thuần dòng TGMS:

- Phương pháp của Yuan LongPing và cộng sự (2003)[65] Các tác giả cho rằng để chọn thuần kiểu hình và duy trì ổn định “ngưỡng” nhiệt độ chuyển đổi tính dục của dòng TGMS cần thực hiện theo trình tự tóm tắt như sau:

+ Vụ 1: Chọn cá thể điển hình (đúng nguyên bản về đặc điểm hình thái) →

Xử lý nhiệt độ thấp bằng “ngưỡng” nhiêt độ gây bất dục để chọn cá thể bất dục hoàn toàn → Nhân gốc các cá thể bất dục đ0 chọn và đánh giá “ngưỡng” theo hệ vô tính để thu hạt trên cây lúa chét

+ Vụ 2: Nhân hạt thu từ các cá thể lúa chét đ0 được kiểm tra “ngưỡng” nhiệt

độ thành hạt giống tác giả

+ Vụ 3: Sản xuất hạt nguyên chủng đồng thời kiểm tra lại “ngưỡng” nhiệt

độ→ Chuyển sang sản xuất hạt lai F1

- Phương pháp của Zhou C.S (2000)[68], các tác giả đề xuất trình tự chọn siêu nguyên chủng dòng TGMS thực hiện như sau:

+ Vụ 1: Chọn cá thể điển hình trên đồng ruộng, điều kiện nhiệt độ ở thời kỳ mẫn cảm là 240C, chọn cá thể bất dục trên 99,5%

+ Vụ 2: Thu hạt, gieo các cá thể được chọn và xử lý nhiệt độ ở thời kỳ mẫn cảm trong điều kiện nhân tạo = 230C để chọn cá thể bất dục cao trên 99,5% + Vụ 3: Thu hạt, gieo các cá thể được chọn, tiếp tục xử lý nhân tạo ở nhiệt độ

=220C, chọn các cá thể bất dục trên 99,5%

+ Vụ 4: Nhân gốc các cá thể được chọn theo hệ vô tính Thời kỳ mẫn cảm

điều khiển cho nhiệt độ thấp hơn 220C để thu hạt tác giả

+ Vụ 5: Nhân tiếp ra hạt nguyên chủng→ Chuyển sang sản xuất hạt lai F1

- Phương pháp của Yin HuaQi, (1997)[57], tác giả đề xuất trình tự chọn siêu nguyên chủng dòng TGMS thực hiện như sau:

+ Vụ 1: Chọn 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 gốc chét các cá thể bất dục được chọn, thu hạt giống gốc

+ Vụ 2: Nhân hạt giống gốc thành hạt tác giả

+ Vụ 3: Nhân hạt tác giả thành hạt nguyên chủng → Chuyển sang sản xuất hạt lai F1

Tại Việt Nam, trong số các dòng bất dục dực mẫn cảm với điều kiện môi trường thì các dòng bất dục đực di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ được sử dụng khá rộng r0i và dễ dàng trong sản xuất lúa lai hai dòng Tuy nhiên do trong nhân mang gen kiểm soát tính trạng bất dục đực mẫn cảm với nhiệt độ,

do vậy tính ổn định của tính trạng này không cao Mặt khác gen này bị tác

động của nhiều gen phụ khác do vậy ngưỡng chuyển hóa bất dục và hữu dục của các dòng khác nhau là khác nhau Để khai thác các dòng TGMS có hiệu quả trước hết cần nghiên cứu xác định ngưỡng nhiệt độ chuyển hóa và độ dài