Bài giảng môn học Nguyên lý và phương pháp chọn giống cây trồng - Chương 8: Chọn giống ở cây giao phấn cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm chọn lọc cải tiến quần thể, động thái di truyền quần thể cây giao phấn, chọn lọc chu kỳ, phương pháp chọn lọc cải tiến quần thể cây giao phấn, phát triển giống tổng hợp,... Mời các bạn cùng tham khảo.
Trang 1Chương 8 CHỌN GIỐNG Ở CÂY GIAO PHẤN
8.1 KHÁI NIỆM CHỌN LỌC CẢI TIẾN QUẦN THỂ
Quần thể (population) là một nhóm của các cá thể giao phối hữu tính, do giao phối nên rất nhiều gen trong nhóm có thể chuyển đến tất cả các thành viên trong nhóm dễ dàng thông qua quá trình sinh sản hữu tính
Vốn gen (gene pool) là tổng các thành viên và giống mang các gen và alen trong một quần thể sinh sản hữu tính có thể truyền đạt những gen và alen đó cho thế hệ sau
Để cải tiến quần thể, nhà tạo giống cần tập hợp nguồn gen, đánh giá chọn lọc chu kỳ để tăng tần suất các allen có lợi của các tính trạng số lượng
Theo George Acquuah, 2007, việc chọn lọc có thể được phân thành hai nhóm
(i) Chọn lọc cải tiến trong nội bộ quần thể (intrapopulation) hoặc (ii) Chọn lọc cải tiến giữa các quần thể khác nhau (interpopulation)
8.2 ĐỘNG THÁI DI TRUYỀN QUẦN THỂ CÂY GIAO PHẤN
Động thái di truyền quần thể cây giao phấn đủ lớn, không dị hợp,
và giao phối ngẫu nhiên ở trạng thái cân bằng di truyền nếu không
có áp lực của chọn lọc, đột biến hay lẫn tạp được Hardy-Weinberg
(1908) phát biểu: “ Gen và tần suất kiểu gen trong một quần thể
Mendel không đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác, nếu không có
chọn lọc, đột biến, lẫn tạp hay thay đổi ngẫu nhiên "
Nếu p đại diện cho tần suất một alen trội A, thì q = 1-p biểu diễn
cho tần suất alen lặn a, trạng thái cân bằng di truyền
Hardy-Weinberg biểu diễn bằng phương trình sau:
p2 + 2p(1-p) + (1-p)2 = 1
Nếu đặt (1-p) = q ta có
p2 + 2pq+ q2 = 1
8.3 CHỌN LỌC CHU KỲ
8.3.1 Khái niệm
Chọn lọc chu kỳ được hình thành từ ý tưởng tăng tần suất các gen có lợi vào các dòng thuần ưu tú và tái tổ hợp chúng trong giống ưu thế lai
Phương pháp này được Jenkins (1940) và Hull (1945) phát triển
và sau đó các tác giả khác đặt tên là chọn lọc chu kỳ
Vật liệu nguồn chọn lọc chu kỳ cải tiến quần thể có thể là một quần thể thụ phấn tự do, giống tổng hợp, lai đơn hoặc lai kép
Quần thể cải tiến có thể được sử dụng đại trà là giống thụ phấn
tự do mới hoặc sử dụng làm vật liệu cho chương trình tạo giống khác
Chọn lọc chu kỳ không làm giảm biến dị di truyền, để cải tiến quần thể thành công cần tăng đa dạng di truyền quần thể
Nhiều chu kỳ chọn lọc sẽ làm tăng cơ hội tái tổ hợp nhưng sẽ mất nhiều thời gian, vì vậy, nhà tạo giống cần xem xét quyết định
số thể hệ chọn lọc cho phù hợp
Hình 8.1 Mô hình chọn lọc chu kỳ tổng quát của Backer (1993)
Hình 8.2 Sơ đồ chọn lọc một tính trạng số lượng của quần thể cây giao phấn
Trang 2Hình 8.3 Tiến bộ quần thể sau các chu kỳ chọn lọc
8.3.3 Chọn lọc chu kỳ và hiệu quả chọn lọc
Nhiều sơ đồ chọn lọc chu kỳ được đề suất và sử dụng, mỗi sơ đồ có khả năng khai thác hoạt động của gen khác nhau như hiệu ứng cộng, trội từng phần, trội và siêu trội Một số sơ đồ có thể kể đến như:
(i) Sơ đồ đơn giản không sử dụng cây thử (tester) chỉ hiệu quả với các tính trạng có hệ số di truyền cao Tester sử dụng trong chọn lọc nhằm đánh giá KNKH chung và KNKH riêng, cho phép khai thác hiệu quả các gen khác nhau
(ii) Chọn lọc chu kỳ dựa trên KNKH chung cho hiệu quả hơn với các gen hiệu ứng cộng
( iii) Chọn lọc chu kỳ dựa trên KNKH riêng hiệu quả hơn đối với các gen hoạt động siêu trội;
(iv) Chọn lọc chu kỳ thuận nghịch cho hiệu quả với cả gen hiệu ứng cộng và siêu trội
Bảng 8.1 Chọn lọc cải tiến giữa các quần thể
Phương pháp Đánh giá thử nghiệm
con cải
Đơn vị tái tổ hợp Chu kỳ thuận nghịch Các gia đình Half-sib Các gia đình S 1
Full-sib thuận nghịch Các gia đình Full-sib Các gia đình S 1
Lai thử (Testcross) Lai thử Các gia đình S 1
Bảng 8.2 Chọn lọc cải tiến một quần thể
Phương pháp Đánh giá thử nghiệm con cải Đơn vị tái tổ hợp Chọn lọc hỗn hợp (hai
bố mẹ) Các cá thể cây chọn Các cá thể cây chọn Chọn lọc hỗn hợp (một
bố mẹ) Các cá thể cây chọn Hạt giao phối cùng giống Half-sib (chọn con cái) Các gia đình Half-sib Các gia đình Half-sib Half-sib (bố mẹ tự thụ) Các gia đình Half-sib Gia đình S 1 Bắp trên hàng cải tiến
(Modified ear-to-row) Các gia đình Half-sib Hạt giao phối cùng giống Full-sib Các gia đình Full-sib Các gia đình Full-sib Gia đình S 1 Gia đình S 1 Gia đình S 1 Gia đình S 2 Gia đình S 2 Gia đình S 2
8.4 PHƯƠNG PHÁP CHỌN LỌC CẢI TIẾN QUẦN THỂ CÂY GIAO PHẤN
8.4.1 Chọn lọc cải tiến một quần thể
a) Chọn lọc cá thể (Individual plant selection methods)
* Phương pháp 1: Chọn lọc hỗn hợp (Mass selection)
1
Gieo trồng quần thể gốc (địa phương, tổng hợp, hỗn hợp)
Khử bỏ những cây không mong muốn trước khi ra hoa
Chọn lấy vài trăm cá thể dựa trên kiểu hình
Thu hoạch rồi hỗn hợp hạt, tạo lô hạt mới
2
Lặp lại như vụ 1, trồng hạt đã được trộn; tiến hành TN sơ bộ
Đối chứng là quần thể gốc nếu mục đích chọn lọc HH cải tiến
3 Lặp lại như vụ 2 hoặc thêm vụ đến khi có kết quả
4 Thử nghiệm, đánh giá năng suất
Ưu điểm:
Chọn lọc hỗn hợp là phương pháp đơn giản, không cần đánh giá bằng thí nghiệm lặp lại với ô nhiều hàng, không cần kiểm soát thụ phấn và không phải mô tả gia phả
Hạn chế:
Chọn lọc chỉ dựa trên kiểu hình do vậy chọn cây ưu tú nhất thường rất khó khăn
Do không kiểm soát thụ phấn nên cây được chọn nhận phấn của cả cây không mong muốn
Nếu chọn lọc cường độ cao, quần thể nhỏ dân đến cận phối
Trang 3* Phương pháp 2: Chọn lọc hỗn hợp cải tiến
Có 2 phương pháp chọn lọc hỗn hợp cải tiến:
- Chọn lọc hỗn hợp theo hệ thống phân tầng hoặc mạng lưới
- Chọn lọc hỗn hợp kiểu sắp xếp tổ ong (Honeycomb design):
Phương pháp này do A Fasoulas đề xuất năm 1973,
Phương thức trồng hình tam giác chứ không trồng hình chữ nhật truyền thống
Mỗi cây là trung tâm của một hình lục giác đều, khoảng cách 6 cây đều nhau và so sánh với 6 cây khác
Chọn lọc thực hiện như phương pháp 1 của chọn lọc hỗn hợp (được nêu trên)
b Các phương pháp chọn lọc cải tiến quần thể
Các phương pháp chọn lọc gia đình cải tiến bao gồm chọn lọc
half-sib (bắp trên hàng, bắp trên hàng cải tiến), chọn lọc full-sib,
chọn lọc tự phối S1 hoặc S2;
Chọn lọc dựa trên phép lai thử (testcross) đánh giá KNKH chung
và KNKH riêng
Đặc điểm chung của chọn lọc cải tiến quần thể gồm 3 bước:
Bước 1: Tạo gia đình
Bước 2: Đánh giá và chọn lọc các gia đình tốt nhất thông qua
đánh giá con cái
Bước 3: Tái tổ hợp hạt từ các gia đình được chọn, tạo quần thể
mới cho chu kỳ chọn lọc tiếp theo
- Phương pháp chọn lọc gia đình nửa máu
1
Trồng quần thể ban đầu (C o ), để tự do thụ phấn Chọn cây ưu tú theo mục tiêu tạo giống, thu hoạch riêng từng cây
2
Hạt của các cây ở vụ 1 được chia làm 2 phần: 1 phần đem trồng thành
1 hàng (half-sib), đánh giá xác định con cái tốt nhất, thu hạt ở hàng tốt; 1 phần nữa được cất trữ để tái tổ hợp ở vụ 3
3
Hai phương pháp tạo tái tổ hợp:
1- Lấy hạt đang cất trữ của những cây ưu tú chọn ở vụ 1 và được đánh giá tốt ở vụ 2 đem hỗn lại
2- Tái tổ hợp những dòng tốt ở vụ 2
4 Tạo lập quần thể chọn lọc chu kỳ 1 (C 1 )
+ Phương pháp half-sib 1 : Chọn lọc bắp theo hàng (ear-to-row):
Phương pháp chọn lọc bắp theo hàng là phương pháp đơn giản nhất
chọn lọc half-sib ở các loài cây giao phấn Phương pháp được ứng
dụng ở các loài cỏ lâu năm và chọn các tính trạng có hệ sô di truyền
cao ở cây có dầu, ngô rất hiệu quả
Các bước chọn lọc
Vụ/năm Kỹ thuật
1 - Trồng giống ngô cần cải tiến-quần thể nguồn (C o )
- Chọn cây ưu tú (So) trên cơ sở kiểu hình
- Thu hoạch bắp riêng từng cây
- Chia đôi số hạt thu được của từng cây thành 2 phần: 1 phần
hạt ở hàng tốt; 1 phần nữa được cất trữ để tái tổ hợp ở vụ 3
2
3
- Trồng các cá thể được chọn thành dòng, mỗi bắp trồng thành
một hàng
- Chọn hàng tốt nhất (S1), thu hoạch
- Tái tổ hợp hạt từ các dòng tốt hoặc tái tổ hợp hạt đang cất trữ
(So)
- Trồng hỗn hạt ở khu cách ly đánh giá có so sánh với đối chứng
là giống ban đầu
4 Hạt thu hoạch cho chu kỳ tiếp theo
Sơ đồ chọn lọc được thể hiện ở hình 8.6 Hình 8.6 Sơ đồ chọn lọc half-sib
Trang 4+ Phương pháp half-sib 2 : Chọn lọc bắp theo hàng cải tiến (Lonnquist, 1964) + Phương pháp half-sib 3 : Chọn lọc half-sib dựa vào năng suất của
con lai thử (Half-sib selection with progeny test)
* Phương pháp chọn lọc gia đình cả máu (Full-sib family selection methods)
8.4.2 Chọn lọc cải tiến đồng thời hai quần thể
Hình 8.11 Sơ đồ tổng quát chọn lọc bằng half-sib và lai thử KNKH
a Chọn lọc chu kỳ half-sib thuận nghịch
Hình 8.12 Sơ đồ chọn lọc chu kỳ half-sib thuận nghịch
Trang 5b Chọn lọc chu kỳ thuận nghịch full-sib
Hình 8.13 Chọn lọc chu kỳ full-sib thuận nghịch
8.5 PHÁT TRIỂN GIỐNG TỔNG HỢP
8.5.1 Những đặc điểm ưu thế của giống tổng hợp
K J Frey (1975) tóm tắt những ưu điểm chính như sau:
Năng suất bị giảm qua các thể hệ ít hơn so với giống lai đơn hoặc lai kép Ví dụ ở ngô F2 giảm năng suất 15-30% so với F1, giống tổng hợp syn-2 giảm so với syn 1 chỉ 5-15%
Giống tổng hợp thích nghi với môi trường qua thời gian tốt hơn
Giống tổng hợp là quần thể dị hợp nên ổn định hơn khi môi trường thay đổi
8.5.2 Đặc điểm cơ bản của phát triển giống tổng hợp
Có 3 bước cơ bản phát triển giống tổng hợp:
Tập hợp các bố mẹ (dòng vô tính, dòng thuần)
Đánh giá KNKH chung
Giao phối ngẫu nhiên tạo giống tổng hợp
8.5.3 Đánh giá KNKH chung (Test for General Combining Ability)
Ba phương pháp chính sử dụng là:
Đa giao (Polycross test)
Thử nghiệm lai đỉnh (Topcross test)
Thử nghiệm lai luân phiên (Dialen cross test)
8.5.4 Chọn lọc đa giao với cây có khả năng nhân vô tính
1
Vườn dòng nguồn Quần thể nguồn gồm có các dòng vô tính; Vườn dòng trồng
để đảm bảo nền di truyền rộng để chọn lọc dòng vô tính mới Nguồn vật liệu
giống
2
Các dòng vô tính (Clonal lines) Nhà tạo giống chọn lọc ban đầu 100–200 cây
khoảng 20–25 cây từ mỗi dòng bố mẹ Từ đó có thể chọn lọc dưới nhiều bất
nhận nhận khoảng 25–50 dòng vô tính ưu tú nhất
3
Vườn lai đa giao (Polycross nursery) Các dòng vô tính đã chọn trồng trong
mỗi dòng có thể nhận phấn ngẫu nhiên từ dòng khác Một thiết kế đa giao là
ngăn cách giữa các ô đa giao để cách ly, khi thụ phấn xong bỏ lưới ngăn Số
Hạt của mỗi dòng thu riêng Đa giao đảm bảo chắc chắn lai ngẫu nhiên giữa
các dòng
4
Thử nghiệm con cái đa giao (Polycross progeny test) Hạt thu được từ các
tính trạng khác phù hợp với mục tiêu tạo giống Chọn 5-10 dòng tốt nhất để
tạo giống tổng hợp
8.5.4 Chọn lọc đa giao với cây có khả năng nhân vô tính
5
Giống tổng hợp thế hệ Syn-0 (Syn-0 generation) Các dòng vô tính chọn đem nhân giống sinh dưỡng trong khu cách ly cho thụ phấn chéo tạo hạt giống tổng hợp thế hệ Syn-0
6
Thế hệ giống tổng hợp Syn-1 Hạt của Syn-0 nhân tăng lên bằng trồng trong khu cách ly Số hạt ngang bằng nhau của các cây bố mẹ trộn lẫn đảm bảo giao phối ngẫu nhiên trên ruộng Thu hoạch hỗn hạt tạo lô hạt Syn-1 cung cấp cho sản xuất
7
Thế hệ giống tổng hợp tiếp sau (Subsequent syn generations) Thường hạt giống tổng hợp Syn-1 không đủ cung cấp cho nông dân sản xuất
Trong thực tế Syn-1 được nhân tiếp bằng tự do thụ phấn tạo thế hệ Syn-2 Hạt Syn-1 và Syn-2 là hạt tác giả Nhân đến Syn-3 là hạt nguyên chủng và Syn-4 là hạt xác nhận Sự mất sức sống tăng dần qua các thế
hệ nhân xảy ra tương tự với giống lai F1 sử đến F2, đến Fn Do vậy, rất quan trọng là duy trì dòng vô tính nguồn Các bước mô tả trong phương pháp chỉ là chung nhất và có thể cải tiến cho phù hợp với loài cây trồng
và mục tiêu tạo giống của tác giả
Trang 6Hình 8.14 Sơ đồ tạo giống tổng hợp ở cây thức ăn gia súc bằng phương pháp đa giao
Chọn lọc đa giao là một dạng chọn lọc half-sib, phù hợp với các loài cây giao phấn sinh sản bằng hạt, nhưng có khả năng sinh sản
vô tính, đặc biệt cỏ và cây làm thứ ăn gia súc
Bước 1: Chọn lọc bắt đầu dựa vào kiểu hình của những cây tốt nhất từ quần thể khởi đầu (50-100 cá thể)
Bước 2: Cây chọn lọc được nhân vô tính và trồng trong điều kiện cách ly; mỗi dòng vô tính được bao quanh bởi 4-8 dòng khác tạo điều kện cho thụ phán chéo ngẫu nhiên giữa tất cả các dòng Thu hạt đa giao theo từng dòng vô tính Giữ các dòng vô tính ở khu riêng hoặc trong nhà lưới
Bước 3: Đánh giá thế hệ con lai đa giao Gieo hạt đa giao và đánh giá năng suất
Bước 4: Dựa vào năng suất con lai đa giao, chọn 4-10 dòng vô tính tốt nhất để tạo ra giống tổng hợp Trồng dòng vô tính dược chọn trong khu cách ly và cho giao phối ngẫu nhiên Hạt thu được là hạt tổng hợp