Bài giảng môn học Nguyên lý và phương pháp chọn giống cây trồng - Chương 9: Chọn giống ưu thế lai cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm và ý nghĩa, những công cụ di truyền sử dụng trong chọn tạo giống ưu thế lai, cơ sở di truyền của ưu thế lai,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
Trang 1Chương 9 CHỌN GIỐNG ƯU THẾ LAI
Hiện tượng ưu thế lai ở thực vật
Năm 1760, Kolreuter phát hiện ưu thế lai khi lai 2 loài thuốc lá Nicotiana tabacum và Nicotiana rustica
Năm 1878, Beal phát hiện ưu thế lai ở Ngô
Năm 1917, Shull phát hiện ưu thế lai ở ngô khi lai 2 dòng tự phối
Năm 1926, Jones phát hiện ưu thế lai ở lúa
Năm 1961, Daxcalov phát hiện ưu thế lai ở cà chua
1 Khái niệm và ý nghĩa
Khái niệm
Shull (1914): “ Ưu thế lai là sự biểu hiện của con lai về sức sống,
chống chịu sâu bệnh hoặc khí hậu bất thuận tốt hơn so với các
dòng thuần bố mẹ của chúng”
James A và cs (2010): “ Ưu thế lai là hiện tượng khi lai hai bố
mẹ cùng loài hay khác loài, con cái của chúng biểu hiện khả năng
tạo sinh khối lớn hơn, phát triển nhanh hơn và sinh sản nhiều
hơn bố mẹ
Khái niệm nhóm ưu thế lai (heterotic group)
James và cs (2010): là các kiểu gen có quan hệ hoặc không có
mối quan hệ của cùng một quần thể hoặc của các quần thể khác
nhau nhưng khi lai với kiểu gen của nhóm khác có khả năng kết
hợp như nhau và cho ưu thế lai
Ưu thế lai (Heterosis) là một thuật ngữ 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 sống, sức sinh sản, khả năng chống chịu
và thích nghi, năng suất, chất lượng và các đặc tính khác.
Ý nghĩa
Tiềm năng năng suất cao hơn các giống thường tốt nhất 25-30%
Những tính trạng mới mong muốn có thể dễ dàng đưa vào giống lai như tính kháng bệnh, chất lượng sản phẩm
Có độ đồng đều cao
Bản thân giống lai có cơ chế bảo hộ di truyền
Những khó khăn trong chọn tạo giống cây
trồng ưu thế lai
Giai đoạn phát triển dòng bố mẹ thuần tốn nhiều thời gian
và kinh phí (Ở cây ngô, tự thụ phấn cưỡng bức mất 6-8 thế
hệ, khoảng 10.000 dòng đánh giá ở S2 hoặc S3 chỉ chọn
được 1 dòng có thể tham gia tạo giống ngô lai thương mại)
Trong duy trì dòng bố mẹ và sản xuất hạt lai F1 tốn nhiều
thời gian (Cây tự thụ phấn khắt khe, cây giao phấn hoa nhỏ,
số hạt lai F1 thu được ít, giá thành hạt lai cao)
Qui trình sản xuất hạt lai F1 phức tạp (khu cách ly, năng
suất hạt lai F1 thấp dẫn đến giá hạt giống lai F1 cao)
2 Những công cụ di truyền sử dụng trong chọn tạo giống
ưu thế lai
2.1 Bất dục đực
Bất dục đực di truyền nhân (Genetic Male Sterile – MS);
Bất dục đực tế bào chất (Cytoplasmic Male Sterility - CMS);
Bất dục đực di truyền nhân cảm ứng môi trường (Environment sensitive Genetics Male Sterility- EGMS) (TGMS và PGMS)
Sterility-CGMS)
Trang 2Bất dục nhân đột biến ở Cà tím (TMS- hình 2 và 4; Non TGM- hình 3 và 5)
2.2 Tự bất hợp
Kakizaki Y ( 1930) sử dụng tự bất hợp (Self-incompatibility-
SI) trong chọn tạo giống và sản xuất hạt lai F1 ở cây họ thập
tự
Kokichi Hinata và cộng sự (1994) đã kết luận tự bất hợp là
một trở ngại trong tạo dòng thuần
Nếu chọn các kiểu gen tự bất hợp sử dụng tạo giống và sản
xuất hạt giống ưu thế lai rất hiệu quả
V Kučera và cs (2006) sử dụng tự bất hợp tạo giống súp lơ
ưu thế lai
2.3 Đơn tính cái
Giới tính ở cây họ bầu bí biểu hiện rất phức tạp (Sayoko Saito,
2007; Galun, 1961 ; Shifriss, 1961 ; Kubicki, 1969 ; Malepszy và
Giới tính của dưa chuột được phân loại dựa trên tỷ lệ hoa đực, hoa
cái, hoa lưỡng tính và được chia làm 5 loại là:
Gynoecious (đơn tính cái),
Hermaphrodite (lưỡng tính) và
Androecious (đơn tính đực)
Đơn tính cái (Gynoecious) và đơn tính cùng gốc (Monoecious)
thường được sử dụng trong chọn tạo giống và sản xuất hạt lai F1 ở cây họ bầu bí, đặc biệt là dưa chuột ( Cucumis sativus )
Trang 3Hoa đực Hoa cái
2.4 Bất thụ
•Dạng vòi nhụy siêu dài ở cà chua, ớt, hoa
Trang 43.1 Giả thuyết siêu trội:
Do tác dụng qua lại giữa các alen cùng vị trí Alen A và a
cùng vị trí Nhờ có mặt đồng thời nên kiểu gen Aa có thể
tạo nên những men mà kiểu gen AA và aa không thể tạo
ra được làm cho sức sống của con lai vượt xa hơn bố mẹ
AA ≤ Aa ≥ aa
3 Cơ sở di truyền của ưu thế lai
Con lai càng có độ dị hợp tử cao thì ưu thế lai càng lớn
3.2 Giả thuyết tính trội
Các alen trội là những alen có lợi còn các alen lặn đồng vị của chúng có hại đã làm giảm sức sống
Ưu thế lai sinh ra do tác dụng của các gen trội khác nhau
Sự có mặt của các gen trội cùng vị trí với gen lặn đã lấn át
sự biểu hiện của gen lặn làm cho tính trạng biểu hiện bình thường
AA ≥ Aa ≥ aa
AABBccddEE X aabbCCDDee
F1
AaBbCcDdEe
3.3 Thuyết cân bằng di truyền
Mỗi cơ thể sinh vật 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 có kiểu hình tốt hơn thì xuất hiện ưu
thế lai
3.4 Cơ sở phân tử về ưu thế lai
Phần lớn các locus tính trạng số lượng có quan hệ với suy thoái cận huyết
Ưu thế lai đều có liên quan tới tương tác giữa các locus
Và 90% locus tính trạng số lượng đóng góp vào ưu thế lai là siêu trội (Li et al, 2000)
Trang 54 Các loại ưu thế lai
4.1 Ưu thế lai sinh sản
Là loại ưu thế lai quan trọng hàng đầu
Cơ quan sinh sản như hoa, quả, hạt phát triển mạnh dẫn
đến năng suất cao
4.2 Ưu thế lai sinh dưỡng
Cơ quan sinh dường như thân, rễ, cành, lá sinh trưởng
mạnh
Có giá trị đối với những loài cây trồng sử dụng các bộ
phận sinh dưỡng
4.3 Ưu thế lai thích ứng
Ưu thế lai do tăng sức sống, tăng tính chống chịu với sâu bệnh, với các điều kiện ngoại cảnh bất thuận như rét, úng, chua, mặn
4.4 Ưu thế lai tích luỹ
Là sự tăng cường tích luỹ các chất vào các bộ phận của cây như hàm lượng tinh bột cao vào củ, hàm lượng đường vào thân, hàm lượng protein, dầu vào hạt…
5 Xác định mức độ biểu hiện ưu thế lai
5.1 Ưu thế lai trung bình (giả định), (Mid parent heterosis,
H m )
Con lai biểu hiện sự hơn hẳn trên tính trạng nghiên
cứu so với giá trị trung bình của bố mẹ
Được sử dụng trong giai đoạn lai thử
Hm (%) =
F1 1 2 (P1 + P2)
1
2 (P1 + P2) X 100
5.2 Ưu thế lai thực (Heterobeltiosis, Hb)
Con lai biểu hiện sự hơn hẳn trên tính trạng nghiên cứu so với bố mẹ có số đo cao nhất
Được sử dụng trong giai đoạn lai lại và đánh giá con lai
Hb (%) =
F1 Pb
X 100
Pb
5.3 Ưu thế lai chuẩn (Standard heterosis, HS)
Con lai biểu hiện sự hơn hẳn trên tính trạng nghiên
cứu so với 1 giống chuẩn đang sử dụng trong vùng
mà con lai định thay thế
Được sử dụng để đánh giá các tổ hợp lai tốt
HS (%) =
F1 S
X 100
S
6 CHỌN GIỐNG ƯU THẾ LAI Ở CÂY TỰ THỤ PHẤN
Trang 6Những cây tự thụ phấn điển hình như:
Lúa ( Oryza sativa L );
Các cây họ cà: cà chua ( Lycopersicon esvulentum Mill.), cà
pháo và cà tím ( Solanum melongena L.), ớt cay, ớt ngọt
( Capsicum annum L.);
Cây thuộc họ hoa cúc: rau xà lách ( Lactura sativa car
c apinata L.), rau diếp ( Lactuca sativa secalina Alef ) ;
Các cây rau họ đậu: Đậu tương ( Glycine max ) đậu đũa
( dolichos sinensis L.), cô ve leo ( Phaseolus sp L.), đậu vàng
( Phaseolus Vulgaris L.)
Chia làm hai nhóm chính:
Nhóm thứ nhất: chọn tạo giống và sản xuất hạt lai không bắt buộc sử dụng công cụ di truyền , có khả năng sản xuất hạt giống lai theo phương thức khử đực bằng tay dễ dàng, một quả, một hoa có thể thu được nhiều hạt như cà chua, cà bát, thuốc lá, vừng, bông,
ớt
Nhóm thứ hai : bắt buộc sử dụng công cụ di truyền vì khử đực và thụ phấn bằng tay rất khó khăn, năng suất lai rất thấp ví dụ như lúa Công cụ di truyền sử dụng như bất dục đực di truyền nhân (MS); bất dục đực tế bào chất (CMS); bất dục đực chức năng (TGMS hay PGMS)
Phương pháp tạo giống ưu thế lai nhóm cây
không bắt buộc sử dụng công cụ di truyền
Bước 1 Thu thập vật liệu di truyền
Bước 5 Nghiên cứu kỹ thuật sản xuất hạt lai F1 Quá trình chọn tạo giống ưu thế lai ở cây tự thụ phấn
Sơ đồ chọn phả hệ hai dòng bố mẹ cà chua Fla 8059 (F7) và Fla 7907
(F5) và tạo giống cà chua ưu thế lai (Fla 8153) (Nguồn Elizabeth A
Baldwin và cộng sự, 2008)
Chọn giống ưu thế lai nhóm cây tự thụ phấn bắt buộc sử dụng công cụ di truyền
Trang 7a) Sử dụng dạng bất dục nhân:
Dòng mẹ (BD) Dòng duy trì (HD) Dòng phục hồi (HD)
1 msms : 1 MSms 1 MSms : 1 msms
Diệt bỏ trước khi tung phấn
X
1 msms : 1 MSms
Nhân dòng
bất dục Nhân dòng duy trì
MSms Hữu dục (hạt lai F1)
Nhân dòng phục hồi
b) Sử dụng dạng bất dục đực tế bào chất (CMS)
ưu tú, hoặc dòng duy trì
hoàn toàn Lai trở lại 5 – 6 thế hệ
A bd
Sơ đồ lai chuyển gen bất dục
V20B/MR365
F1
F2 (chọn một số cá thể thơm có đặc tính tốt)
V20A/Các F3 thơm
F1bất dục/F4 thơm
BC1F1 bất dục/F5 thơm
BC2F1/F6 thơm
BC3F1/F7 thơm
: BC5F1/F9 thơm
Hương 2A thơm/Hương 2B thơm
Sơ đồ tạo dòng CMS thơm đồng tế bào chất với V20A và dòng duy trì
mang gen thơm của MR365
c) Sử dụng dạng bất dục đực chức năng di truyền nhân
Các dạng bất dục đực sử dụng trong chọn tạo giống và
Trang 8Theo Virmani S.S và cộng sự (2003) có các phương pháp chọn
tạo dòng bất dục EGMS là:
Thanh lọc trên những dòng giống hiện có
Gây đột biến
Lai và chọn phả hệ
Lai trở lại
Nuôi cấy bao phấn và
Chọn lọc nhờ marker (MAS)
EGMS Donor
x Dòng, giống ưu tú (bố mẹ chu kỳ)
F2, các cây có tính trạng EGMS
x Bố mẹ chu kỳ
Cây BC1F2 có tính trạng EGMS x Bố mẹ chu kỳ
BC2F1 x Bố mẹ chu kỳ BC3F1
BC3F2 có tính trạng EGMS x Bố mẹ chu kỳ
BC4F1 BC6F1 BC6F1 chắc chắn có tính trạng EGMS Thanh lọc EGMS (27/21 o C Gây hữu dục(25/19 o C)
7 CHỌN GIỐNG ƯU THẾ LAI Ở CÂY GIAO PHẤN
Những loài cây trồng giao phấn điển hình là:
Ngô ( Zea mays );
Loài cây thuộc họ bầu bí gồm dưa hấu ( Citrullus lanatus ), dưa chuột ( Cucumis satavus ), bí đỏ ( Cucurbita moschata ), bí xanh ( Cucurbita pepo ), bầu ( Lagenaria siceraria Mol.), mướp ( Luffa aegyptiaca Mill.)
Loài cây thuộc họ thập tự gồm : bắp cải (Brassica oleracea var
capitata), su hào ( Brassica canlorapa Pasq hoặc Brassica oleracea var caulorapa ) , su lơ (Brassica oleracea var botrytis ), cải ( Brassica sp L.)
Loài cây thuộc họ hành tỏi gồm: hành tây ( Allium cepa L.), tỏi( Allium sativum L.)
Loài cây thuộc họ hoa tán như carrot ( Carota L.) và
Họ rau giền ( Amaranthus ) thuộc họ rau giền ( Amaranthaceae )
Bước 1 Thu thập vật liêu di truyền
Bước 2 Phát triển dòng thuần
Bước 5 Nghiên cứu kỹ thuật sản xuất hạt lai
Các bước chọn tạo giống ưu thế lai ở cây giao phấn
Các loại giống ưu thế lai ở cây giao phấn
•Giống lai đơn: là giống lai giữa hai dòng thuần
A x B
•Giống lai ba: là giống lai giữa một giống lai đơn với một dòng thuần
(A x B) x C
•Giống lai kép: là giống lai giữa hai lai đơn
(A x B) x ( C x D)
•Lai đơn cải tiến:
(A x A’) x B
•Lai đơn cải tiến kép:
(A x A’ ) x ( B x B’)
•Lai ba cải tiến:
(A x B) x ( C x C’)
Trang 9Phương pháp chọn tạo giống ưu thế lai ở cây giao phấn
a) Thu thập và phát triển nguồn vật liệu
Nguyên tắc chung nguồn vật liệu càng đa dạng càng có cơ
hội tạo giống thành công
Thu thập giống bản địa, thụ phấn tự do, giống lai, vật liệu
cần mang gen kháng bệnh, chống chịu điều kiện bất thuận
và chất lượng
Cây giao phấn các cá thể và quần thể luôn luôn dị hợp, vì
thế khi tạo giống ưu thế lai cần phát triển dòng thuần đồng
hợp, thử khả năng kết hợp và nghiên cứu kỹ thuật sản xuất
hạt lai
b) Phát triển dòng thuần ở cây giao phấn
Phát triển dòng thuần bằng tự thụ phấn cưỡng bức (Shull, 1909)
Tự thụ phấn và bắp trên hàng (Bauman, 1981)
Chọn lọc full-sib trên cơ sở chọn lọc năng suất sinh vật học
và năng suất hạt (E.A Lee và L W Kannenberg, 2004)
Phương pháp lai lại phát triển dòng thuần cây giao phấn
Phát triển dòng thuần kết hợp chọn lọc MAS
Nuôi cấy bao phấn, nuôi cấy noãn tạo dòng đơn bội kép (DH),
Phát triển dòng đơn bội kép sử dụng cây kích tạo đơn bội (Inducer) ở ngô
Một số phương pháp phát triển dòng thuần ở cây giao phấn:
Tự thụ phấn cưỡng bức (tự phối) phương pháp truyền thống tiến
hành chọn lọc cây tự thụ phấn cưỡng bức từ So đến Sn với vật
liệu di truyền là quần thể thụ phấn tự do và từ F1 đến Fn với vật
liệu ban đầu là con lai F1 Phương pháp không truyền thống tiến
hành chọn lọc phối hợp tạo dòng thuần bất dục tế bào chất để
giảm công khử đực (George Acquaash, 2007)
Tạo dòng đơn bội kép (Double Haploid – DH) bằng nuôi cấy bao
phấn, nuôi cấy noãn, gọi là phương pháp In vitro
Tạo dòng đơn bội kép bằng kích tạo đơn bội gọi là phương pháp
In vivo
c) Tạo dòng đơn bội kép (Double Haploid- DH)
Phương pháp phát triển dòng thuần nhanh, tạo dòng đồng hợp hoàn toàn
Phương pháp này gặp một số khó khăn như: biến dị xô ma trong nuôi cấy in vitro , một số loài và một số kiểu gen rất khó tái sinh cây
Các bước cơ bản của phương pháp gồm:
(i) Tạo quần thể dị hợp bằng lai, thu được con lai F1;
(ii) Nuôi cấy bao phấn hoặc kích tạo đơn bội tự nhiên tạo cây đơn bội;
(iii) Lưỡng bội hóa tạo dòng đơn bội kép;
(iv) Thử khả năng kết hợp;
(v) Nghiên cứu kỹ thuật duy trì dòng và sản xuất hạt lai F1
Ghi chú: W: vụ Xuân; S: vụ Mùa (vụ khô), A, B, C, D: dòng vật liệu bố mẹ; H: cây đơn bội; DH: cây đơn bội
kép; DHL: dòng đơn bội kép; T: cây thử; TC1 lai thử 1; TC2 lai thử 2; DH per se : tự thụ duy trì DH
Trang 10Hình Marker nhận biết hạt đơn bội (Haploid)
Sơ đồ nhân dòng đơn bội
Lựa chọn hạt đơn bội
UH 400 Plant
Trang 11Hạt của quần thể F1 được lai với UH400 Đặc điểm thân, lá và tai lá của các dòng
kích tạo đơn bội
UH400 (vụ Đông sớm) HUA1 (vụ Xuân Hè) HUA2 (vụ Xuân Hè)
Đặc điểm bắp, hạt của các dòng kích tạo đơn bội
UH400 (sớm Thu Đông) HUA1 (vụ Xuân Hè) HUA2 (vụ sớm Thu Đông)
d) Phát triển dòng thuần bằng tự thụ phấn cưỡng bức (tự phối)
Sơ đồ phát triển dòng thuần bằng tự thụ phấn cưỡng bức ở cây giao phấn
Trang 12* Phương pháp tạo dòng thuần đơn tính cái (Gy):
Có ba phương pháp phát triển dòng thuần ở cây học
bầu bí, đặc biệt trên dưa chuột:
(i)Phương pháp chọn tạo phả hệ (Pedigree Breeding);
(ii)Phương pháp một hạt (Single-seed Descent) và
(iii)Phương pháp lai lại (Backcross Breeding)
Tự thụ phấn
Tự thụ phấn
Tự thụ phấn
Sơ đồ chọn tạo dòng thuần dưa chuột kháng bệnh (Phương pháp phả hệ)
* Phương pháp tạo dòng thuần tự bất hợp (SI):
Dòng tự bất hợp ưu tú cho tạo giống ưu thế lai cần có
các đặc điểm là:
Tự bất hợp ổn định, đậu hạt cao, không thụ phấn giữa các
cây trong cùng một dòng thuần để sản xuất hạt lai
Đậu hạt tự bất hợp cao khi tự thụ phấn ở giai đoạn nụ
Những đặc điểm và tính trạng kinh tế đồng nhất và có lợi,
khả năng kết hợp cao
*Đánh giá mức độ bất hợp (SI):
Bước 1: Chọn các cây có đặc điểm thương mại hoặc KNKH tốt được bao cách ly bằng túi Paraffin trước khi nở hoa
Bước 2: Thụ phấn, bao cách ly lại ngay, khi quả chín kiểm tra và chọn quả có mức độ tự bất hợp
Bước 3: Xác định trung bình số hạt/quả sau tự thụ phấn ở các hoa (SF) và cành hoa (SB)
trên hoa SF để đánh giá mức độ SI và chọn cây tự bất hợp
Một cây được coi là tự bất hợp:
Nếu Rs từ 0,0 đến 20,0 hoặc SF từ 0,0 đến 3,0
Tự bất hợp một phần Rs từ 20,1 đến 80,0 hoặc SF từ 3,1 đến 5,0
Tự bất hợp hoàn toàn khi Rs trên 80,0 và SF trên 5
Phương pháp khắc phục trong duy trì bằng các kỹ thuật
phá vỡ tự bất hợp (Silke Möhring, 2000):
Phương pháp thụ phấn nụ: thụ phấn sớm trước ba
ngày để thu được hạt tự thụ
Nồng độ CO 2 cao (6%)
Bằng dung dịch muối ăn-NaCl (5%)
* Hệ quả tự phối:
Sự giảm tỷ lệ dị hợp thể, tăng tỷ lệ đồng hợp thể qua các thế hệ tự phối được tính bằng công thức số cây dị hợp thể = (1/2) n ; Số lượng cây đồng hợp thể = 1- (1/2) n , trong đó n là thế hệ tự phối