Bài giảng Chọn giống cây trồng ngắn ngày - Chương 5: Chọn giống khoai tây

Bài giảng Chọn giống cây trồng ngắn ngày - Chương 5: Chọn giống khoai tây cung cấp đến học viên các kiến thức về nguồn gốc, đa dạng và phân loại khoai tây; đặc điểm sinh học của cây khoai tây; di truyền một số tính trạng của cây khoai tây; mục tiêu trong chọn tạo giống khoai tây; phương pháp chọn giống khoai tây;... Mời các bạn cùng tham khảo chi tiết nội dung bài giảng!

Chương 5

CHỌN GIỐNG CÂY KHOAI TÂY

Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam

https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/

4.2.1 Giới thiệu

Khoai tây trồng Solanum tuberosum L (2n = 4x = 48) là cây lương thực, thực phẩm quan trọng chỉ sau lúa mỳ

Khoai tây còn cung cấp những thành phần dinh dưỡng khác có lợi

cho sức khỏe con người như vitamin C, thiamine, riboflavin, thiacyne và muối của Ca, Fe, P và K Khoai tây có diện tích trồng là 19,2 triệu ha, năng suất 19,4 tấn/ha và sản lượng đạt 374,3 triệu tấn (FAO, 2011)

Công tác nghiên cứu chọn tạo giống khoai tây đã được quan tâm

nghiên cứu ở tất cả các quốc gia nhằm chọn tạo giống năng suất cao, chọn tạo giống chất lượng, chọn tạo giống cho chế biến, chọn tạo tạo giống thích nghi và chọn tạo giống chống chịu

Những phương pháp chọn tạo giống truyền thống như chọn dòng

vô tính, lai tạo giống, ngày nay trên cơ sở những tiến bộ của di truyền phân tử và công nghệ sinh học nhiều phương pháp chọn giống hiện đại đã được áp dụng để phát triển giống khoai tây mới thành công

Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam

https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/

4.2.2 Nguồn gốc, đa dạng và phân loại khoai tây

 Khoai tây có khoảng 200 loài dại, độ bội của các loài dại trong phạm vi từ 2n = 2x = 24 đến lục bội 2n = 6x = 72, tất cả các loài này nằm ở lục địa châu Mỹ, chúng được trồng từ miền Nam nước

Mỹ, Trung Mỹ và các nước thuộc dãy Andes đến Chile và ở các độ cao khác nhau từ ngang đến 4.000 m so với mực nước biển, một

số không hình thành củ (Huaman Z., 1986)

 Nguồn gốc lai của các giống khoai tây theo Flor Rodriguez và cs (2010): nhóm Petota là lai khác loài ở các hai mức lưỡng bội và

đa bội

b Phân loại

Khoai tây (Solanum tuberosum ) thuộc chi Solanum, họ

Solanaceae Chi Solanum là chi lớn nhất trong họ Solanaceae , ước tính có 1.400 loài

Khoai tây thuộc nhóm Petota, trong nhóm phân thành các nhóm phụ, trong nhóm phụ có các loài và trong loài được phân thành các loài phụ

Tất cả khoai tây trồng và khoai tây dại thuộc nhóm Petota

Một số hệ thống phân loại khoai tây trên cơ sở số nhóm và loài Vì

vậy, có 3 hệ thống phân loại các loài khoai tây trồng là 3, 8 hay 18 loài tùy thuộc vào mức độ biến dị của các cây trong loài so với loài khác

Hệ thống phân loại khoai tây trồng gồm 8 loài được sử dụng rộng

rãi nhất

Bảng 5.5 Tám loài khoai tây trồng

S x ajanhuiri 2n = 2x = 24 Lưỡng bội

Phân loại khoai tây cũng có thể dựa trên độ bội là số bộ nhiễm sắc thể (x) trong tế bào sinh dưỡng

Các tế bào sinh dưỡng bình thường ít nhất có 2 bộ nhiễm sắc thể, một bộ nhiễm sắc thể ở khoai tây là 12, như vậy x = 12 Các tế bào khoai tây trồng có thể có 2 và 5 bộ nhiễm sắc thể và như vậy khoai tây trồng có phạm vi độ bội từ lưỡng bội đến ngũ bội (Huaman Z., 1986)

Trong 8 loài trồng của nhóm Petota , chỉ có loài S tuberosum loài phụ ssp tuberosum được trồng rộng khắp trên thế giới

Những loài khác chủ yếu ở các nước thuộc dãy Andes, khu vực này đã có hàng nghìn giống được tìm thấy và khoảng 1.300 mẫu

đã được CIP thu thập và bảo tồn, hình thành trong ngân hàng gen khoai tây quốc tế

c Đa dạng nguồn gen khoai tây

Nguồn gen khoai tây đa dạng về hình thái và di truyền, đa dạng

hình thái được đánh giá chủ yếu dựa trên mô tả hình thái của CIP (Gómez, 2000; Huamán và Gómez, 1994)

Danh sách mô tả gồm 17 đặc điểm hình thái với 32 tính trạng đặc

điểm hình thái trong đó có 18 đặc điểm được xác định ổn định với các điều kiện môi trường khác nhau

Mức độ đa dạng các giống khoai tây trồng đã nhận biết khoảng

2.223 và 2.097 mẫu nguồn gen

Trong vốn gen gia đình có tối thiểu 13 và tối đa là 160 giống duy

nhất/ 1 quần thể phụ của vùng, nghĩa là các giống khác biệt ở mức

có ý nghĩa và như vậy mức đa dạng rất cao

4.2.3 Đặc điểm sinh học của cây khoai tây

a Đặc điểm thực vật học

Khoai tây là cây thân thảo, tập tính sinh trưởng rất khác nhau giữa

các loài và ngay cả trong cùng một loài

Khoai tây có dạng thân đứng và bán đứng, thân bao gồm thân,

thân bò và củ, cây thực sinh có một thân chính nhưng trồng bằng củ

có thể hình thành các nhánh

Tia củ (stolon) phát triển từ thân chính cũng hình thành củ hoặc

hình thành mần sinh trưởng thành nhánh bên

Hình 5.10 Cấu tạo lá khoai tây (nguồn Huaman, Z 1986)

Hình 5.11 Hình thái củ khoai tây (nguồn Huaman, Z 1986)

b Sinh sản

Khoai tây là cây sinh sản hữu tính nhưng nhân giống vô tính, hoa

khoai tây là hoa chùm hữu hạn, một chùm có từ 1 đến 30 hoa (phổ biến từ 7 đến 15 hoa) tùy theo giống

Hoa năm cánh và có đường kính 3-4 cm, đầu nhụy có 2 thùy

Hoa nở bắt đầu từ dưới lên trên, một ngày có 2 – 3 hoa nở và tồn

tại 2 - 4 ngày, đầu nhụy có khả năng nhận phấn khoảng 2 ngày Hoa

nở vào buổi sáng, một số nở hoa suốt cả ngày

Khoai tây ra hoa trong điều kiện ánh sáng ngày dài (khoảng 16h)

Hình 5.12 Hoa và quả khoai tây (nguồn Huaman, Z 1986)

4.2.4 Di truyền một số tính trạng của cây khoai tây

Khoai tây Solanum tuberosum là cây tự đa bội (2n = 4x = 48, 4EBN) và như vậy có 4 alen khác nhau tại 1 locus

Khoai tây là loài có khả năng nhân giống vô tính, như vậy tiến hóa của nó là hoạt động của gen không cộng tính hoặc lấn át

Do khoai tây tự đa bội tự nhiên nên xảy ra tương tác trong một locus và tương tác giữa các locus là một di truyền quan trọng đối với phương pháp chọn lọc để cải tiến tính trạng, xác định tăng dị hợp để tăng ưu thế lai

Mức độ dị hợp ảnh hưởng khác nhau của 4 alen trong một locus; sự

đa dạng các alen cho dị hợp cao hơn và lớn hơn tương tác giữa các locus cho ưu thế lai cao hơn

Dạng củ khoai tây do một locus đơn ( Ro ), tròn trội so với dạng củ dài, gen Ro trên nhiễm sắc thể 10 Locus này được liên kết chặt chẽ (4 cM) với độ sâu mắt củ, Eyd , với độ sâu trội hơn

Có bốn gen trội lớn, R, P, F, và I kiểm soát sắc tố anthocyanin ở vỏ

và hoa Locus R trên nhiễm sắc thể số 2 và P locus trên nhiễm sắc thể 11 có liên quan đến sinh tổng hợp anthocyanin màu đỏ và màu xanh

Locus F và I xác định có hay không R và P được thể hiện trong hoa (cánh hoa) và củ (cả vỏ và thịt củ) và được liên kết chặt chẽ với locus Ro trên nhiễm sắc thể 10 ( Ro tại 42 cM, F tại 57 cM, và I tại

62 cM)

Thịt củ màu trắng, vàng, hoặc màu da cam được kiểm soát bởi alen ở một vị trí duy nhất trên nhiễm sắc thể 3

Màu sắc chip phụ thuộc vào chất lượng của hàm lượng đường glucose và fructose trong củ do locus ADP-glucose pyrophosphorylase và invertase Pain-1 điều khiển

Chọn lọc nhờ marker phân tử (MAS) và marker chuyên biệt với tổ hợp 11 marker chuyên biệt alen liên kết với chất lượng củ Tổng cộng, 69 gen đã được xác định và lập bản đồ tới 85 locus gen

Menendez và cs (2002) xác định QTL trên nhiễm sắc thể 1, 3, 7, 8,

9, và 11, mỗi QTL trong số đó giải thích hơn 10% sự biến thiên của đường khử

Các QTL có liên quan đến gen giả định mã hóa enzyme invertase,

pyrophosphorylase ADP-glucose, sucrose vận chuyển 1 và cảm biến sucrose

Một gen ứng cử viên trên nhiễm sắc thể 11 mã hóa pyrophosphorylase UDP-glucose (Sowokinos, 2001)

Chống chịu sương giá hay chống chịu lạnh trong mùa Đông là một tính trạng phức tạp di truyền đa gen

Ngày nay các nhà nghiên cứu chưa phân biệt rõ di truyền tính trạng của hai thành phân này

Hai tính trạng không có tương quan ở quần thể phân ly cho thấy rằng hai tính trạng này điều khiển di truyền độc lập

Phân tích trung bình chỉ ra rằng tất cả phương sai của khả năng thích nghi khí hậu và một phần chính chống chịu sương giá không thích nghi là mô hình trội và cộng tính với 2 tính trạng lặn từng phần và cả 2 tính trạng được điều khiển bởi một số ít gen

Sử dụng chỉ thị phân tử đã xác định có 5 gen có khả năng kháng bệnh có giá trị cho các nhà chọn giống ứng dụng

Kasai và cs (2000) đã phát triển chỉ thị SCAR cho gen Ry (từ

andigena , trên nhiễm sắc thể 11) có khả năng kháng với PVY

Colton và cs (2006) đã phát triển và kiểm tra kỹ chỉ thị dựa trên phản ứng PCR để theo dõi các gen RB từ S bulbocastanum với tính kháng bệnh rụng lá

Gebhardt và cs (2006) đã chứng minh việc sử dụng các chỉ thị chẩn đoán cho RX1 (khả năng kháng với PVX), Sen1 (kháng

Synchytrium endobioticum pathotype 1, nguyên nhân gây ra mụn cóc khoai tây)

Năm 1988 gen về tính kháng bệnh rụng lá, ghẻ, virus (PVY, PVA, PVX, PVM, và PVS), tuyến trùng nang và tuyến trùng rễ đã được lập bản đồ

Bảng 5.6 Gen chính kháng sâu bệnh ở khoai tây

Kháng sâu bệnh Gen NST Tài liệu tham khảo

Late blight R1 (dms) 5 Ballvora và cs 2002

Rpi-blb1 8 Van der Vossen và cs 2003

Rpi-blb2 6 Park và cs 2005a

Rpi-blb3 4 Park và cs 2005a

Rpi-abpt (blb) 4 Park và cs 2005b

R2-like 4 Park và cs 2005c

Rpi-moc1 (mcq) 9 Smilde và cs 2005

Rpi-pin1 (pnt) 7 Kuhl và cs 2001 Wart Sen1 (tbr?) 11 Hehl và cs 1999

Sen1-4 (tbr?) 4 Brugmans và cs 2006 PVY Ry (adg) 11 Hamalainen và cs 1997

Ry (sto?) 11 Brigneti và cs 1997

Ry (sto) 12 Song và cs 2005

Ry-f (sto) 12 Flis và cs 2005

Ny (tbr) 4 Celebi-Toprak và cs 2002 PVA Ra (adg) 11 Hamalainen và cs 1998

Bảng 5.6 Gen chính kháng sâu bệnh ở khoai tây (tiếp)

Kháng sâu bệnh Gen NST Tài liệu tham khảo

PVX Rx1 (adg) 12 Bendahmane và cs 1999

Rx2 (acl) 5 Bendahmane và cs 2000

Nx (phu) 9 Tommiska và cs 1998

Nb (tbr) 5 Marano và cs 2002 PVM Gm (grl) 9 Marczewski và cs 2006

Rm (mga) 11 Marczewski và cs 2006 PVS Ns (adg) 8 Marczewski và cs 2002

Golden potato cyst

nematode Gro1 (spg) 7 Paal và cs 2004

H1 (adg) 5 Bakker và cs 2004

GroV1 (vrn) 5 Jacobs và cs 1996 White potato cyst nematode Gpa2 (adg) 12 Rouppe van der Voort và cs 1997

Gpa3 (tar) 11 Wolters và cs 1998 Columbia root-knot

nematode R-Mc1 (blb) 11 Brown và cs 1996

R-Mc1-fen 11 Draaistra 2006

R-Mc1-hou 11 Draaistra 2006 Northern root-knot

nematode R-Mh-tar 7 Draaistra 2006

Meloidogyne fallix root-knot

nematode MfaXIIspl 12 Kouassi và cs 2006

4.2.5 Mục tiêu trong chọn tạo giống khoai tây

Mục tiêu lựa chọn giống sẽ khác nhau giữa các quốc gia, nhưng

tất cả các chương trình có liên quan đến việc lựa chọn đầu tiên:

Năng suất cao hơn,

Sinh trưởng thích hợp,

Ngủ nghỉ, chất lượng, sự phù hợp cho sử dụng và

Khả năng chống chịu bất thuận sinh học và phi sinh học

Nhiều Quốc gia mục tiêu là chọn giống khoai tây mới:

Phù hợp với yêu cầu thị trường,

Năng suất cao và chất lương tốt hơn,

Kháng sâu bệnh, ít mẫn cảm với môi trường và

Chất lượng dinh dưỡng tốt

4.2.6 Phương pháp chọn giống khoai tây

a Chọn lọc tạo giống

Chọn lọc tạo giống khoai tây được sử dụng với nguồn vật liệu di truyền và biến dị có sẵn của các chương trình tạo giống hay nhập nội

Phương pháp chọn lọc được áp dụng chủ yếu là chọn lọc chu kỳ và chọn dòng vô tính,

Biến dị di truyền tối đa để chọn lọc những thế hệ đầu như cây con

và thế hệ vô tính đầu tiên

Tăng hiệu quả chọn lọc ở giai đoạn này là kết quả chính để cải tiến chất lượng của vật liệu di truyền cho chọn lọc ở các giai đoạn sau

b Lai và chọn dòng vô tính

Bảng 5.7 Các bước chọn tạo giống khoai tây bằng phương pháp lai và

chọn dòng vô tính

Năm Giai đoạn Số dòng vô tính chọn

0 Lai , thu hoạch hạt, thông thường lai nhiều tổ hợp 10 6

1 Gieo hạt, 250 – 1.000 hạt một THL, giữ lại 1 củ/1 cây chọn 600.000

2 Những dòng vô tính năm thứ nhất, 1 cây/dòng Thu hoạch sớm,

giữ lại 6 - 8 củ/cây chọn 60.000

3 Dòng vô tính năm thứ 2, 6 đến 8 cây/dòng, thu hoạch sớm, tất các

củ của một dòng giữ lại 15.000

4 Dòng vô tính năm thứ 3, một ô/dòng để lấy củ, thu hoạch sớm (20

cây); thí nghiệm quan sát ô và thu hoạch khi chín (16 - 20 cây) 5.000

5 Dòng vô tính năm thứ 4, một lô củ/một dòng, thu hoạch sớm, thí

nghiệm quan sát ô (16-20 cây) tại một số điểm (địa phương)

không lặp lại, thu hoạch đúng thời gian

1.500

6 Dòng vô tính năm thứ 5; một lô củ/một dòng, thu hoạch sớm, thí

nghiệm quan sát ô (16-20 cây) tại nhiều điểm (địa phương);

không lặp lại, những dòng tốt nhất đưa vào thí nghiệm sàng lọc

500

7 Các dòng tốt nhất năm trước đưa so sánh giống trong ô thí nghiệm

quan sát (16 - 20 cây) ở nhiều địa phương, không lặp lại, củ tạo ra

phân riêng Các dòng tốt nhất đưa vào thử ngiệm quốc gia

200

9 Các dòng được so sánh với một số dòng đã khuyến cáo trong thí

nghiệm năng suất ở nhiều địa phương có lặp lại 15 - 20

10 Khuyến cáo giống: 3 - 6

c Lai xa ở khoai tây

Hình 5.13 Phương pháp lai các loài khoai tây không tạo củ có thể tạo giống khoai tây

bằng lai bắc cầu (nguồn E Jacobsen và cs, 1991 và Evert Jacobsen, 2008)

Hình 5.15 Chương trình chọn lọc chu kỳ kiểu gen đa tính trạng

(nguồn Bradshaw và cs, 2001)

Ghi chú : DVT = dòng vô tính; TL = dòng khoai tây kháng bệnh tàn lá muộn; pcn = dòng khoai

tây kháng thuốc trừ tuyến trùng (potato cyst nematodes)

d Đột biến tạo giống khoai tây

Bảng 5.8 Các bước chọn giống khoai tây bằng đột biến

M 1 (M 1 V 1 ) Hạt, hạt phấn, bộ phận sinh dưỡng hoặc mô nuôi cấy

in vitro xử lý tác nhân lý học hoặc hóa học

M 2 (M 1 V 2 )

Quần thể trồng từ hạt (M 2 ) hoặc bộ phận sinh dưỡng (M 1 V 2 ) thu hoạch từ M 1 hoặc M 1 V 1 Chọn lọc đột biến mong muốn của thế hệ này cho thế hệ tiếp theo

M 3 – M 8

(M 1 V 3 - M 1 V 8 )

Tiếp tục chọn lọc, khẳng định di truyền, nhân và ổn định hóa biểu hiện các dòng đột biến trên đồng ruộng

3 thế hệ tiếp theo Phân tích so sánh các dòng đột biến qua các vụ, các

năm và các địa phương khác nhau

2 thế hệ tiếp theo Thí nghiệm khảo nghiệm trước khi phóng thích giống

mới

e Lai tế bào soma tạo giống khoai tây

Hình 5.16 Sơ đồ phát triển khoai tây lai tế bào soma đơn bội

Hình 5.17 Hình thái củ và lá ( ký hiệu 62) của dòng khoai tây lai tế bào

soma giữa khoai tây dại và khoai tây trồng

(nguồn Menke và cs., 1996)

f Chọn lọc MAS ở khoai tây

5 bước chính chọn lọc khoai tây nhờ marker (MAS) gồm:

1 Lai để tạo con cái các thế hệ phân ly, nắm được giá trị di truyền

và hệ số di truyền của con cái

2 Trồng cây con

3 Chọn mẫu và tách chiết DNA từ mỗi con cái

a PCR trực tiếp khi không yêu cầu phân lập thêm DNA

b Một bước phân lập DNA

c Nhiều bước phân lập DNA không có ni tơ lỏng

d Nhiều bước phân lập DNA có ni tơ lỏng

4 Để áp dụng marker phân tử với các mẫu DNA có thể thực hiện

a Một bước ứng dụng marker (như real-time PCR)

b Hoặc đa bước bao gồm khuyếch đại, nhân bản và quan sát

5 Để chọn lọc cây con hầu hết các alen chuyên biệt được xác định bằng marker