Cơ sỏ di truyền chọn giống thực vật

Nội dung text: Cơ sỏ di truyền chọn giống thực vật

1. f)\l H o r\ |\H lui \(; IÃM THÒNG riN-THƯVIÊN PGS. TS. LÊ DUY THÀNH 581 i ; r 1665 c/ (HI MV.046860
2. PGS. TS. LÊ DUY THÀNH Cơ Sỏ DI TRUYỀN CHỌN■ GIỐNG THỰC ■ VẬT ■ Giáo trình dùng cho sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh, ngành Sinh học các trường Khoa học Tự nhiên, Sư phạm, Nông nghiệp, Lâm nghiệp NHẢ XUẤT BẤN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẠ r HÀ NỘI
3. 5-581.3 84-87-00 KHKT-00
4. LỒI GIỐI THIỆU Trong những năm gần dày, tồng sản lượng lương thục cùa nưóc ta dã đạt được những con số rát đảng khích lệ. Từ một nước thiếu lương thực đến nay chúng ta dâ trỏ thành nước xuát kháu gạo dứng hàng thứ hai trên thế giới. Riêng năm 1999, lượng gạo xuất kháu là 4,4 triệu tán và tống sản lượng lương thực là 34,2 triệu tổn trong dó có 31 triệu tấn thóc. Ngoài những yếu tố vĩ quản lý Nhà nước, chế độ chinh sách, các biện pháp kỹ thuật và dầu tư, yếu tó dát, nưóc, khí hậu thòi tiết, gióng mới có một vai trò đặc biệt quan trọng trong việc nâng cao năng suát và sản lượng căy tròng. Dă từ lâu, việc áp dụng những nguyên lý của di truyền học uản được coi là văn đề then chốt trong việc gây tạo và cải tiến các giống. Giáo trình *Cơ )SỜ di truỳên chọn giống thực vật’ của PGS. TS. Lê Duy Thành cung cáp cho người dọc những co sô lý luận của các nguyên lý di truyìn học dược áp dụng vào các phương pháp chọn giống thực vật cơ bản và những nguyên tác ứng dụng trong một số kỹ thuật sinh học phán tử và kỹ thuật di truyền trong chọn giống căy tròng. Cuốn sách bao gòm hai phần : - Phàn một tác giả giới thiệu những nguyên t&c di truyần học và phương pháp ứng dụng uào chọn giống, như hệ thống di truỵèn kiềm soát tính không hợp, Uu thế lai, đa bội thé, dột biến và lai tế bào soma. Phàn hai tác giả giới thiệu một sỗ kỹ thuật sinh học phún tù như kỹ thuật chuyền gen, kỹ thuật RFLP, kỹ thuật PCR. Đăy là cuốn sách rất căn thiết và không chi là tài liệu học tập tốt cho sinh viên và học viẻn cao học thuộc ngành sinh học mà còn là tài liệu tham khảo cho các nhà chọn giống và các co 9ỏ có lién quan dén công tác chọn tạo gióng cây trdng. Hy vọng cuốn sách sẽ gợi mỏ thêm cho bạn đọc vè vị trí, vai trò của jli truỵèn học trong chọn giống căy tròng góp phàn tăng năng suất và sản luọng căy trồng ỏ Việt Nam, xậy dựng một nẽn nông nghiệp da dạng uà bần vững. Viện sĩ, '^ tién sĩ khoa học IVần ĐÌnh Long Viện Khoa học Ký thuẠt Nông nghiệp Việt Nam
5. ư>l NÓI ĐẤU Những dóng góp của di truyèn học vào việc năng cao năng auát .và sản luạng căy tròng dược xép uào hàng thứ hai, sau những tiến bộ đạt dược vĩ phàn bón, thuỷ lại và nông hoá. Trong nửa sau của thế kỷ XX, việc tảng sản luợng ỏ nhièu loại căy tròng quan trọng trền thế giới có phàn đóng góp khoảng 50% nhờ việc đưa vào sản xuăt những giống căy tròng mói. vì thế, đă từ lău việc áp dụng những nguyẽn lý của di truýền học uán dược coi là vấn dè then chốt trong việc gâỵ tạo và cài tiến các giống căy tròng. Mặt khác, trong khoảng hai thập kỳ cuối của thế kỳ XX, các kiến thức và, kỹ thuật của sinh học hiện dại, dặc biệt là trong các lỉnh vực nuôi cấy mô- tế bào, công nghệ sinh học và sinh học phán tủ đâ phát triển rất nhanh chóng. Cậc kỹ tlịuật nậy ,hi,ện naỵ phát triện nhanh đến mức khiến cho các nhà chọn gióng cảm tháy khó khăn trong việc lụa chọn cỉmng d i áp ậụr^. Sụ trợ giúp của một số kỹ thuật như vậỵ dối với các phương pháp chọn giáng thực vật thông thường, dứ thúc đáy quá trình tạo ra các giống căy tròng mới có nhiht dậc tính nông- sinh học quí. Giáo trình 'Ca sờ di tmỳền chạn giếng thực vật' này cung cấp cho người đọc những ca 8Ò lý luận của các nguyên lý di truyèn học được áp dụng vào các phương pháp chọn gióng thực uật cơ bản, đòng thời cũng trình bày những nguyên tốc và ứng dụng của một aố hỹ thuật 8inh học phăn tử uà kỹ thuật di truýền trong chọn gióng c&y tròng. Cuốn sách có tám chương, bao gòm hai phàn lớn: Phần thứ nhát là năm chương dòu, trình bày những nguyên tác di truýện học và phương pháp ứng dụng vào chọn gióng thực vật của các vấn di: hệ thống di truyèn kiểm soát tính không hợp, ưu thế lai, đa bội thé, dột biến thục nghiệm và lai tế bào aoma; Phàn thứ hai gdm ba chương cuối (6; 7 và SJ, giói thiệu một 8Ố ^ thuật ainh học phán tử và nguyên tác ứng dụng của chúng vào chọn giống thục vật, như kỹ thuật chuyồi gen, kỹ thuật RFLP và kỹ thuật PCR. Giáo trình này có thể dược dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên năm cuói và học viên cao học thuộc nhóm chuyên ngành "Co thể thục vật", nhu di truyòi học, sinh lý học thực vật, hoá sinh học của Khoa Sinh học ó các Trường dại học Khoa học tự nhiên, DHQG Hà Nội, Đại học Sư phạm, Dại học Nông nghiệp, Đại học Lâm nghiệp Sách này củng có thé duợc dùng làm tài liệu học tập hoặc tham khảo cho học viên
6. LÒI NÓI đXu cao học ỏ các chuyên ngành có liin quan thuộc các viện nghiên cứu và các trường đại học khác hoặc cho những ai quan tăm dến các vấn đ i trên. VÌ cuốn sách dược xuăt bản làn đàu, nền chác rửng không thé tránh khởi những khiếm khuyết. The giá xin chăn thành cám ơn những ý kiến đóng góp xăy dựng dể cho cuốn sách dược hoàn thiện han. l ầ c giả
7. Chương 1 HỆ THỐNG DI TRUYỀN KIẾM SOÁT TÍNH KHÔNG Hộp ỏ THựC VẬT 1.1. MỎĐẰU Tính không hợp (incompatibility) trong quá trỉnh sinh sản ỉà một khái niệm chỉ hiện tượng hạt phấn không có khả năng nảy mầm hoặc ống phấn khống thể x&m nhập vào vòi nhuỵ và thực hiện được quá trình thụ tinh. ở đây, ta chl đề cập đến tính không hợp do một hệ thống di truyền kiểm soát, chủ khống nói đến hiện tượng bất thụ do các rối loạn về mặt sinh lý, tế bào hoặc do những yếu tố ngoại cảnh gây ra. Tính không hợp có thê’ xảy ra trong phạm vi giữa các cơ quan sinh sản đực và cái của một cây, mà ta gọi ỉà tính không tụ hợp (self incompatibility), nghĩa là ở cây dó không thể xảy ra quá trình tự thụ phán được. Tính không hợp cũng cd thể xảy ra khi giao phấn giữa các nhóm cây có quan hệ họ hàng nhất định với nhau, mà ta gọi ỉà tính không hợp chéo (incompatible crosspollination) - nghỉa là các cây giữa các nhdm này khổng giao phối được với nhau. Hệ thống tính không hợp có thể hoạt động ở trạng thái thề bào tử (sporophytic incx>mpatibility) hoặc ở trạng thái thé giao tủ (gametophytic inoompatibility). Nđ kiểm soát sự tương tác giữa vòi nhuỵ vầ hạt phấn nhờ âự hôạt động của các alen thuộc locut s. THiy nhiên, ờ một sổ chi thực vật người ta cũng đã phát hiện ra hiện tượng khổng phải chỉ do một mà là hai hoặc nhiều locut can thiệp vào tính khống hợp ỏ trạng thái thế giao tử. Theo Darlington và Mather (1949) thỉ có đến 1/2 số loài thực vật hạt kín có hiện tượng không hợp. Điều này đã được ghi nhận là rất phổ biến ở 78 họ, bao gôm khoảng 3000 loài, như họ đậu, cà, hoa hồng, cúc, bầu bí, hoà thảo, đu đủ, Hiện tượng khống hợp cđ một ý nghĩa quan trọng đối với quá trỉnh tiến hoá của giới thực vật. Ntí ngăn cản sự nội phổi, tạo điều kiện cho sự ngoại phối và vỉ thế làm tăng khả năng biến dị của sinh vật. Mặt khác, nổ lại được các nhà chọn giđng sử dụng rát có hiệu quả trong quá trinh chọn giống theo ưu thế lai. Bảng 1.1. cho thấy một số đặc điểm của tính khổng hợp ở một số chi thực vật ctí hiện tượng này phổ biến. Bảng I.l. Ilệ thống tính khồng họrp thề hiện ár một số chi thực vột Chỉ thực vật Dặc điềm hình thái và di truyền Hệ thống ưnh không hợp (2) (3) Briìssica Đồng hình, đơn gen Thề híin tử
8. 8 HỆ THỐNG DI TRUYỀN KỂM SOÁT TÍNH KHÔNG Hộp ỏ THựC VẬT Tiẽp bảng /./ (1) (2) (3) Raphanưs Dồng hình, đơn gen Thề bào tử Trifoiiwn Dồng hình, đơn gen Thề bào tử Purứhrum Dồng hình, đơn gen Thề bào tử Lừtum Dồng hình, đơn gen Thề bào tử Helianthiis Đồng hình, đonn gen Thề bào tử Pagopyrưm DỊ hình, đơn gen Thề bào tử Lotus Dồng hình, đm gen Thề giao tử Lỵcopersicon Dồng hình, đơn gen Thề gỉao từ M eđiCi^o Dông hình, đơn gen Thề giao tử Nicatíana Dồng hình, đơn gen Thề 030 lử Phaiarừ Dồng hình, đơn gen Thề gao tử Pnơm Đồng hình, đơn gen Thề 020 tử Pyrus Dồng hình, đơn gen Thề 030 tử c<4fea Đông hình, đơn gen Thề gỉao tử Sixde Dồng hình, 2 gen Thề giao tử Solaniầm Dồng hình, 2 gen Thề gỉao tử Beta Dồng hĩĩỨL, đa gen Ợt nhất là 4 gen) Thề giao từ Dưới đây, ta sẽ xem xét các đặc điểm và cơ chế hoạt động của tính khững hợp ở các trạng thái thể giao tử và thể bào tử. 1.2. tInh không hộp ỏ trạng thái thể giao tử East và Mangeladorí (1925) là những người đầu tiên nêu ra hiện tượng tính khống hợp d trạng thái thể giao tủ ò loài thuổc lá Nicotiana sandeme. Về sau, hiện tượng này được xác địnhlầ cớ ở hơn 60 họ thựe Yệt hật kíĐị địln hinh là ở họ đậu, cà, hoà thảo, maoI lương lương • JDăc điểm cửa kệ thSng tính khổng hợp ở trạng thái thể giao tử 1) Locut s làlà môtmột locut locut đa đa alen. alen. Tuv Tuỳ từne từng loài loài mà mà số sổ lượne lượng a alen đđcó thế rất khác nhau. Ví dụ, ở cây cỏ ba lá, với loài THfoUum hybridum thi số lượng áy là 22, còn ở loài T, pratense là 212. 2) Kỉểu gen của từng tiểu bào tử qui định kiểu hỉnh của hạt phân. VI thế, những hạt phấn chứa alen khác nhau sẽ hoạt dộng khống giống nhau và chúng độc ỉập vồi nhau về phản ứng đối với vòi nhuỵ. ví dụ, cây cđ kiểu gen sẽ cho ra hai loại hạt phán Sj và Sị. Alen SjVà S 2 hoạt động độc lập với nhau; giữa chúng không có quan hệ trội lận hay một sự tưỡng tác nào khác. 3) Phản ứng của tính không hợp xảy ra giữa hạt phán (n) và mô vòi nhuỵ (2n) là cố định cho từng loài. 4) H ạt phấn mang một alen nào đổ sẽ kỉiững nảy mầm hoặc khdng sinh trưởng dược trong mô vòi nhuỵ có chứa chính alen đó. Chảng hạn, sự giao phối (SjS 2 X SjS2) là khống
9. Cố sỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THựC VẬT 9 xảy ra, do hạt phấn Sj hay S 2 không thể nảy mầm hoặc ồng phấn không thể sinh trưởng được trong mô vòi nhuỵ SjS 2. VI thế, có thể thấy ràng, tính không tự hợp nằm trong tính không hợp ở trạng thái thể giao tử. Như đã nói, ở phần lớn các họ thực vật được nghiên cứu thỉ tính không hợp ở trạng thái thể giao tử là do 1 locut kiểm soát, Tuy nhiên, hiện tượng này cũng có thể do 2 locut (ở một số loài của họ hoà thảo, cà ) hoặc do nhiều locut khống chế (họ mao lương, chi Beta ). Ví dụ, theo Lundqvist (1956) thì ở lúa mạch, hai locut s và z kiểm soát tính không hợp nầm trên những nhiễm sắc thể khác nhau và hoạt động độc lập với nhau. Khi sự giống nhau giữa hạt phấn và vòi nhuỵ chỉ xảy ra ở một trong hai locut (ví dụ , SjZ 3 / S|S|Z4Z^) thì không dẫn đến hiện tượng không hợp. Sự không hợp chỉ xuất hiện khi hạt phấn và vòi nhuỵ có sự giống nhau về thành phàn alen ở cả hai locut (ví dụ, SjZ 3 / S|S|Z 3Z3), Diều này dẫn đến sự gia tăng về tân số giao phấn chéo so với trường hợp chi do một locut kiểm soát. 1.3. TÍNH KHÔNG Hộp ỏ TRẠNG THÁI THỂ BÀO TỬ Hệ thông tính không hợp ở trạng thái thê’ bào tử được Hughes và Babcock (1950) phát hiện ở các loài Crepis foetida và Parthenium argentatum. Hiện tượng này khá phổ biến ở các họ hoa chữ thập và hoa kép, như họ cải, cúc ơ một số loài, tính không hợp thể bào tử còn gắn liền với sự đa hình của hoa nhàm táng cường sự ngoại phối. • Đặc điểm cùa hệ thăng tính không hợp thể bào từ 1) Giống như hệ thống tính không hợp thể giao tử, tính không hợp thể bào tử cũng do một locut đa alen kiểm soát, nhưng có khác là, qui mô biến dị rộng hơn và việc xác định kiểu gen phức tạp hơn, do có hiện tượng tính trội. Ví dụ, các kiểu gen SjS 2 và SịSg sỗ thuộc cùng một nhóm, nếu như có hiện tượng trội Sị> St và S|> S3. 2) Tính không hợp thể bào tử chịu sự kiểm soát của nhân lưỡng bội ở trạng thái thể bào tử ; nghía là, hoạt động (kiểu hỉnh) của hạt phấn hay ống phấn do kiểu gen lưỡng bội của cơ thể 2n qui định. 3) Giữa các alen có trong hạt phấn hoặc vòi nhuỵ có mối tương tác, mà thường là quan hệ trội- lặn. Chẳng hạn, khi ở cả hạt phấn và vòi nhuỵ có tính trội hoàn toàn của một alen này đối với các alen khác và theo một kiểu giống nhau, thì xảy ra hiện tượng không hợp chéo giữa một số nhóm có kiểu gen khác nhau. Vi thế ta ctí thể thấy rằng, tính không hợp chéo là một dạng của tính không hợp thể bào tử. Giả sử, nếu Sj> S 2, Sj, S4 thl kiểu gen SjS 2 sẽ có phản ứng không hợp với các kiểu gen Sj S 3, SjS^ Tính không hợp sẽ trở nên phức tạp hơn, nếu quan hệ trội- lặn giữa các alen trong locut s thể hiện không giống nhau ở hạt phấn và vòi nhuỵ. Điều này thường được quan sát thấy trong các hướng lai thuận và lai nghịch, ví dụ, nếu Sj> ở cả hạt phấn và vòi nhuỵ; còn Sj> ở hạt phấn; và Sj> SI ở vòi nhuỵ thì phép lai S|S 2 (mẹ) X SịSg là khống hợp; trong khi đo' đối với phép lai nghịch S|S^ (mẹ) X SịS^ thì lại có phản ứng hợp. 1.4. TÍNH KHÔNG Hộp ĐA HÌNH Như đã nói, ở một số loài, như Primula ưulgarìs, Lythrum salicaria tính không hỢp được tăng cường do hiện tượng đa hình trong cấu trúc hoa : vòi nhuỵ hoặc chỉ nhị có thê’ có các dạng dài, ngán hay trung binh ; hoặc hiện tượng đối lập về độ lớn giữa hạt
10. 10 HỆ THỐNG DI TRUYỀN KIỂM SOÁT TÍNH KHÔNG Hộp ỏ THựC VẬT phấn với tế bào ở núm nhuy: dạng cây vòi nhuỵ dài thường có tế bào núm nhuy to, ahung hạt phấn lại bé; và ngược lại dạng cầy vòi nhuỵ ngắn có tế bào núm nhuy bé nhưn£ hạt phán lại to. Hiện tượng vòi nhuỵ ngắn và dài do hai alen s và s kiểm soát. Sự giao phối chi xảy ra ở phép lai nhuỵ dài (ss) X nhuỵ ngắn (Ss) hoặc nhuỵ ngán (Ss) X nhuỵ dài (ss) (F J cho 1 nhuỵ ngấn : 1 nhuy dài). Nếu cho các cây cùng kiểu nhuỵ ngấn ( hoặc nhuỵ dài) giao phối với nhau ( Ss X Ss hay ss X ss ) thỉ do tính không hợp được kiểm soát ở thể bào tử nên các hạt phấn s hay s trong những trường hỢp này khỏng hoặc kém phát trâển - khổng giống như sự có mặt củng của chính các alen s và s trong các lần giao phối khác kiểu (Ss X ss hay ss X Ss). 1.5. TÍNH HỘP GIÀ ở các cây có tính không hợp, đôi lúc xảy ra hiện tượng hợp giả. Nguyên nhâm của nó cổ thể là do ; 1) sự tự thụ phấn nhân tạo xảy ra nhiều lần; 2) tác động của một số nhâa tố môi trường như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng Nhiệt độ thấp xảy ra ở giai đoạn nở hoa cá thể làm yếu phản ứng của tính khững hợp ; còn mhiệt độ cao thi cđ thể phá huỷ các sàn ph.ẩm của gen S; 3) tính hợp giả tăng lên ỏ giai đoạn đầu và cuối thời kỳ nỏ hoa. Nguyẽn nhân là, trong các vòi nhuỵ non có thể thiếu những sản phẩm của các alen s hoặc nồng độ' của chúng chưa đủ để ức chế sự sính trưứng của ống phấn. Còn vào cuói thời kỳ nở hoa thì do sự trao đổi chát xảy ra yếu nén phản úng của tính khỗng hợp cũng giảm sút; 4) tính hợp giả cững có thể xuăt hiện do sự bát hoạt hoặc đột biến của những alen s nhất định hoặc do tác động cùa những gen khác. Ngoài ra, một số hoá cbãt nihư axit boric hoặc hoocmon sinh trưởng ctí thể gâiy ra tính hợp giả. 1.6. HIỆN TƯỘNG ĐA BỘI VÀ LAI XA vổl TÍNH KHỐNC, HỌP ỉ.6.1. Hiện tượng da bội vớt tắnh không hợp Phản ứng của tính không hợp (ỏ trạng thái thể giao tử và thể bào tử với hiện tuíỢng đa bội có khác nhau. m ở hệ thăng lính không hợp ihtê ỵìao tử, khi ở trạng thái ỉưỡng bội, tính khống hợp phụ thuộc vào tác dụng độc lập của alen s có mật trong hạt phấn đơn bội. Còn ở tirạng thái đa bội, thi hạt phấn lưỡng bội chúa khống phải là 1 mà là 2 aỉen s. Người ta cho rằng, tác dụng cạnh tranh ciủa haũ alen này trong cùng một hạt phấn iàm rối ìoạn ph&n ứng của tính khổng hợp. Vi thế, ở các dạng đa bội (tự tứ bội), thường tính khổng tự hợp bị phá huỷ. Phản ứng tính không hạp khi giao phối giữa các dạng lưỡng bội và tứ bội như sau: SjS~, (mẹ) X S|,S2 -* không hợp X Sị^S^ -» không hợp X X S,S.S tSt hợp S1S1S2S2 l 1 L í S.S2 X Sj 8182.82 -> hợp
11. co sỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THựC VẬT 11 • ờ hệ íhống tính không hợp thê bào từ, thì hiện tượng đa bội không phá huỷ phản ứng của tính không hợp. Nguyên nhân là giữa các alen khác nhau mối quan hệ trội - lặn đã được xác định. 1.6.2. Lai xa với tính không hợp TVong lai xa giữa các loài với nhau, kết quả của phép lai phụ thuộc vào việc sử dụng bổ mẹ có liên quan đến tính không hợp như thế nào. ỏ các họ Solanacae, Compositae, Cruciferae, Linaceae thường lai xa khác loài chỉ thành công khi dạng mẹ ctí tính tự hợp còn dạng bố ctí tính không tự hợp, mà nguyên nhân của nó có lẽ là do những alen khổng tự hợp có khả năng ức chế được các alen tự hợp. Tuy nhiên, người ta thấy ở các cây thuổc phiện và hoa mõm sói thì điều đó lại thể hiện ngược lại. 1.7. MỐI QUAN HỆ GIỮA TÍNH KHỔNG Hộp VỒI CÁC KIỂU HẠT PHẤN ỏ thực vật hạt kín, quá trình phất sinh tiểu bào tử khống hoàn toàn giống nhau ỏ tát cả các loẫũ. Về mật này, có thể chia chúng ra làm hai kiểu. 1) Kiểu hạt phấn hai nhân. Khi hạt phấn chín, ở trạng thái sẵn sàng thụ tinh (vào thời điểm sau khi tứ tử - tetrad- hinh thành được vài ngày) nhân đơn bội trong hạt phấn trải qua một lần nguyên phân cho ra 2 nhân, là nhân sinh sản và nhân sinh dưỡng. Sau đó, mai cho 4ến lúc hạt phán nảy mầm 'trên vòi nhuỵ, thỉ trong ống phán mối xảy ra một làn nguyên phân nữa của nhân sinh sản, để cho ra 2 tinh tử. Kiểu hạt phấn này thường thây à phần lớn thực vật hạt kín. 2) Kiểu hạt phấn ba nhân. Với kiểu hạt phấn này, khi ở trạng thái sản sàng thụ tinh thi trong nó đã chứa 3 nhân ( 1 nhân sinh dưỡng và 2 tinh tử) do kết quả của hai lần nguyên phâri liên tiếp. Kiểu hạt phấn này thường hay gặp ở các họ hoà thảo và cúc. Brevvbaker (1957) là người đầu tiên nhận thấy có sự phụ thuộc giữa hai kiểu hạt phấn ndi trên với tính không hợp. Theo đtí thl, thực vật ctí kiểu hạt phấn hai nhân thường gắn liền với tính khống hợp thế giao tử, còn các loài có kiểu hạt phán ba nhân thưồng cd biếu hiện tính không hợp thể bào tử. Ngoài ra, những loài đa hình thi hạt phán của chúng cd thể là kiếu hai hay ba nhân, nhưng đ%u thuộc hệ thống tính khổng hợp thể bào tử. Mạt khác, ỉại ctí sự tương ứng giữa kiểu hạt phán và nơi xảy ra phản ứng của tính khống hợp. ở các loài có kiểu hạt phấn ba nhân thì nơi xảy ra phản ứng là núm nhuỵ; do vậy nó tác động đến sự này mầm của hạt phấn. Trong khi đó, vối thực vật cd kiểu hạt phán hai nhản thì phản ứng xảy ra khi ổng phấn đang xâm nhập vào vòi nhuỵ; vỉ thế n<5 ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của ống phán. Vậy là, có một mối liên quan giữa kiểu tính khống hợp, nơi xảy ra phản ứng và kiểu hạt phán - mà thực ra ià thời điểm xảy ra của lần nguyên phân thứ hai trong hạt phấn. Điều này được thể hiện trong hinh 1.1. Các nghiên cứu của Grant (1974) cho thấy rằng, hệ thống tính khổng hợp thể giao tử và thể bào tử có sự khác nhau về thời điểm hoạt động của các alen s. ở hệ thống tính không hợp thể bào tử gen s hoạt động ỏ giai đoạn sớm, thường là vào trước giảm phân I. Do đó, cả 4 tiểu bào tử được hỉnh thành đều mang cùng một chất kháng nguyên ở thành tế bào hoặc tế bào chất, chúng phản ứng như nhau với núm nhuỵ
12. 12 HỆ THỐNG DI TRUYỀN KIỂM SOÁT TÍNH KHÔNG HỌP ỏ THỰC VẬT (hợp hoặc không hợp). Còn ở hệ thống tính khống hợp thể giao tử, thỉ các alen s hoạt động chậm hơn, ctí lẽ ở lần phân bào II của giảm ph&n. Do đó, thành tiểu bào tử khống chứa kháng nguyên; và đó ỉà nguyên nhân khiến cho tất‘^cả các hạt phán sinh ra đều ctí thể nảy mầm ở núm nhuỵ không hợp. Phản ứng không hợp chỉ xuất hiện khi ổng phấn chui vào tiếp xúc với vòi nhuỵ. Hơn nữa, kiểu phản ứng (hợp hay không hợp) là đặc trưng của từng hạt phấn hơn là của cả tú tử gồm 4 hạt phán như ià xảy ra d hệ thổng tính khổng hợp thể bào tủ. Dị hình Thề bào tử Tính khâng tự hợp Sự ức chế ra ỏr Một hay nhiều KiÊu hạt phấn do đuợc tàng cường bời núm nhụy; điền hinh locut 2 alen mô lưỡng bội của sự da hình của hoa. cho loại hạt phấn 3 bao phẵn qui định nhân. Thề bào tử Đồng hình Một hay nhiều locut đa alen. Thề giao tử Tính không tự hợp kh&ig Sự ức chế xảy ra đr vòi nhuy; Kiều hạt phấn (kiều hình S) do đuợc tăng cường bởi sự đa điền lành chó các loài cố hật hạt phấn đơn bội qul dinh. hình của hoa. phấn hal nhâa Hình ì.ỉ. Sơ đồ phân hại và đặc điềm di tmyền tính kltông lự ìtạp ở thực vật hợí kín. ỏ tính khống hợp thế bào tử, kiểu hỉnh hạt phấn do kiểu gen của cây sản sinh ra hạt phấn qui định; điển hình là ở họ cúc, phần nào thể hiện ở chi cải dầu. ở một số loài nhất định tính không hợp thể bào tử gán liền với sự đa hình của hoa nhàm tăng cường sự ngoại phối. ỏ tính không hợp thể giao tử, kiểu gen của từng tiểu bào tử qui định kiểu hình cùa hạt phấn; điển hlnh là ở họ đậu, họ cà (đơn gen), họ hoà thảo (hai gen) hay họ Chenopodiaceae và họ hoàng liên (đa gen).
13. c o s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT 13 Trường hợp ngoại lệ :một số loài cỏ có hạt phán kiểu 2 nhăn nhưng phàn ứng tính không hợp lại xảy ra ỏ núm nhuỵ và thuộc hệ thống tính không hợp thề giao tù. 1.8. HIỆU (ÍNG SINH LÝ, SINH HOÁ VÀ BẤN CHẮT PHÂN TỬ CỦA TÍNH KHỒNG Hộp 1.8.1. Hiệu ứng sinh lý của tính không hợp Như đâ ndi, đối với kiểu hạt phấn 3 nhân, phản ứng của tính khổng hợp xảy ra khi hạt phăn tiếp xúc với núm nhuỵ; còn đối với kiểu hạt phấn 2 nhân thỉ phản ứng đtí xảy ra trong vòi nhuỵ. Nghiên cứu của Levvis ở các chi Prunus và Primula đă cho thấy rầng, khi cổ hiện tượng hợp xảy ra, trong một chừng mực nhất định nếu nhiệt độ tăng lên 5-6°C thl sự sinh trưởng của ống phấn cũng tăng lên 2- 3 lần. Ngược lại, khi khững cđ hiện tượng hợp thl tóc độ sinh trưởng của ống phấn bị chậm lại. Vậy là, tồc độ sinh trưởng của ống phấn cđ thể do các nhân tố sinh lý khác nhau điều chỉnh. ỏ loài Linum 'grandifolium có hiện tượng đa hỉnh về hoa, khi lai hai cây đều thuộc dạng nhuỵ ngắn với nhau thì ống phấn bị đứt găy ngay sau khi chui vào vòi nhuỵ. Lewis đã n^iên cúu cơ chế của hiện tượng này và thấy nó gán liền với tương quan áp suất thẩtn thấu giữa hạt phấn với mỏ vòi nhuy. Ấp suất này ở hạt phấn cây vòi nhuy ngấn và vòi nhuỵ dài tương đương với các nồng độ sacaro2 80% và 50%; còn ở vòi nhuỵ các cây ấy là 11% và 20%. Khỉ lai các cây vòi nhuỵ ngán với nhau thỉ tỉ lệ áp suất giữa hạt phấn và vòi nhuỵ là 80 : 11 (# 7 : Ị). Do chênh lệch áp suát quá lớn như vậy mà gây ra sự hút nước quá nhanh của hạt phấn, làm cho chúng bị vỡ. Còn khi lai giữa các cây vòi nhuỵ dài với nhau thỉ chẽnh lệch áp suất này chỉ là 50 : 20 ( 2,5 :1); do vậy hạt phán khổ hút được nưổc để sinh trưởng. Người ta thấy, khi nào tương quan giữa các áp suất đố đạt khoảng 4 : 1 thi hạt phấn sinh trưởng tót. Tuy nhiên, cần tháy rằng, sự sinh trưởng của ổng phấn không phải chỉ thuàn tuý phụ thuộc vào vấn đề như vậy mà phải cổ liên quan đến hoạt động của những chất đậc hiệu là sản phẩm của các aỉen s. Từ đó, người ta đưa ra các cơ chế về sự kích thích và ức chế đối với tính không hợp. Khi có tính hợp thl ống phấn nhận được Dhững chất bổ sung được tiết ra từ vòi nhuỵ và từ đó sự sinh trưởng cùa Ống phấn được kích thích. Còn khỉ GÓ tính không bợp thỉ hạt phấn lại nhận được những chát ức chế được tiết ra từ vòi nhuy. Số chất ức chế và kích thích như vậy cd thể lỗn đến hàng trảm. 1.8.2. Hiệu ứng sinh hoá của tỉnh khổng hợp Moewus và Straub đã đưa ra những hiệu úng về mặt sinh hoá của tính khống hợp. Theo Moewus, ở loài Forsythia intermedium - có sự đa dạng về vòi nhuỵ thl trong hạt phấn dạng cđ vòi nhuy dài chứa chất quecxitrin (quecxetin 3-ramnozit) còn trong hạt phăn dạng có vòi nhuy ngán chứa chất rutin (quecxetin 3- ramnoglucozit). Cả hai chất này khi ở trong dung dịch đường sacaroz 10'^ thỉ cd tác dụng như những chát úc chế sình trưỏng; còn khi d trong dung dịch axit boric 10'ỉ thỉ tác dụng úc chế đó bị khử; tức là axit boric đtíng vai trò như một chất kháng ức chế. Như vậy, chát ức chí vốn cd trong hạt phấn sẽ bị huỷ hoại dưới tác dụng của những chát đặc hiệu cd trong vòi nhuỵ, khi xảy Ta sự thụ phấn thích hợp. Còn theo một giả thiết khác của Straub, dựa trên các nghiên cứu ở loài Petunia vidacea, thì sự ức chế sinh trưởng của ống phấn gán liền với sự phân huỷ các chất sinh
14. 14 HỆ THỐNG DI TRUYỀN KIỂM SOÁT TÍNH KHÔNG Hộp ỏ THựC VẬT trưởng vổn cd trong ống phấn do tác động của những chất đậc hiệu có trong vòi nhuỵ, khi cd mặt của chímh aỉen giống như trong hạt phăn. Ngoài ra, nghiên cUu của Lewis ở cây Oenothera lại cho phép đưa ra quan niệm về tính khống hợp giống nihư cơ chế phản ứng kháng nguyên / kháng thể ở động vật. Các chất được tinh chế từ hạt phẫn chứa các alen s khác nhau mang tính chất như nhữtig kháng nguyên khác nhau. Phản ứng giông như sự ngưng huyết lúc truyền máu sai sẽ xảy ra, nếu như vòi nhụy- được thụ phấn bằng hạt phẫn không hợp. Bàng chứng là, ở núm nhuỵ cây Petunia đă xuiẩt hiện một loại protein lạ, khi có sự thụ phỂín như vậy xảy ra - điều này khổng tỉm thẫy khi có sự thụ phấn bàng những hạt phán hợp. 1.8.3. Bản chất phân tử của tinh không hợp Theo quan niệm càa một số nJià nghiên cứu như Wallace (1967), Nasraỉlah (1982), Gaude (1990) thỉ các phân từ gây ra tính khống hợp hoạt động ở phía cơ quan sinh sản cái, ví dụ ở cây cải dâu, thuộc kiểu glycoprotein. Nó cũng được xác định à hệ thể giao tử đối với cà chua và thuóc lá (Anderson, 1986). Có thể coi glycoprotein như là sản phẩm của gen s (Dickson,199€ ), hoăc ít ra cũng là cúa những locut khác cđ liên kết với locut s. Theo Gaude (1990), glycoprotein đuọc Cũi nhu sản phẩm của gen gây ra tính khững tự hợp ở mô của cơ quan sinh sản cái tạo ra; và chất này có cả ở hệ thổng tính khống hợp thế giao tử và thể bào tử. Theo McClure (1989) thl, glucoprotein tương ứng với 5 alen s khác nhau, được tạo ra tỉí vòi nhu^ loài Nicotiana alata là các ribonuclease. Những bằng chứng vẽ sự có mặt của protein liên quan đến tính khỏng hợp từ phía hạt phấn còn chưa rõ rảng. Theo McClure (1989), chi có một lượng rất nhỏ (dạng vệt ) của RNase tỉm thấy ồ cây N.alata có tính khống tự hợp. Theo Knox, vị trí tồn tại của các chất xác định tính không hợp về phía hạt phấn là tế bào tầng nuôi và vỏ ngoài của hạt phấn ở các loài có tính khômg tự hợp thể bào tử. Gần đây, bàng phương pháp phân tích PCR, Guiluy (1990) đã phát hiện thấy sụ cd mật của mARN ở hạt phán, tương tự như glycoprotein cố ở núm nh«y cây cải dầu. Còng trinh nghiên cứu này cũng chúng tỏ rằng, các chất đặc tníng Gho iGGlit § 63 ỉrong mỡ ẵỈRh dưỡng ed thể xác nhận giả thuyết cho rằng, các sản phẩm của ge»n s ở hạt phồn và vòi nhuỵ là tương tự nhau. Vậy còn bản chất của sự nhận biết hoặc khước từ trong các phản ứng hỢp và không hợp là như thế nào ? Biết đươc điều này 3ẻ rất quan trọng cho việc thực hiện các qui trình giao phối và cách ly trong chiọn giống. Các phản ứng này xảy ra răt nhanh khi có sự tiếp xúc giữa hạt phấn và vòi nhuỵ. Các yếu tổ gây ra phản ứng này là các đoạn nucleotit ngắn hoặc axit amin Chúng gán liẽn vói vòi nhuỵ hoặc phân bố ở vỏ trong hay vỏ ngoài của hạt phấn. Theo Mc€lure (1990), ỏ N. alata khi. cd sự thụ phấn khỏng hợp thì do hoạt động của RNase ở vòẵ nhuỵ mà ARN ở hạt phấn bị phân huỷ. TViy nhiên, tính đặc hiệu của RNase không cao; i»ởi vi nó có thể phân huỷ các ARN cđ nguồn gốc khác nhau. Sự tương tác giữa hạt phấn và vòi nhuỵ có thể theo cách là RNase của locut s xâm nhập vào bộ phận tế bào chẵt của các tế bào ống phấn. VI bàng kỹ thuật tái tổ hợp ADN, khi chuyển gen kiểm soát sự tổng hợp RNase nói trẽn vào cây thuốc lá hay cải dầu thì những cây này trở ĩiên bất thụ đực (Mariani, 1990). Sau những nghiên cứu đầíi tiẻn của Násrallah (1985), người ta đã tách được nhiều dòng cADN mă hoá các loại glyc oprotein được phân ly từ các alen s ở cải dầu, thuốc lá
15. c o s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THựC VẬT 15 và cà chua, ở cải dầu, khi so sánh trật tự các axit amin người ta thấy thành phần nucleotit giữa các alen s khác nhau chi có sự khác biệt rất ít. Sự biến dị VỄ các alen s được thấy rỗ nhất là ở cây thuốc lá. 1.9. NGUYÊN TẮC s ử DỤNG TÍNH KHỐNG Hộp TRONG CHỌN GIỐNG THEO ư u THẾ LAI 1.9.1. T^o dòng dồng hợp tử bàng phưong pháp tự phổi Hệ thống di truyền tính khổng hợp cổ ứng dụng thực tiễn lớn lao trong quá trỉnh chọn giống theo ưu thế lai, mà không càn khử đực ở dạng mẹ. Để thu được các dạng con lai cđ ưu thế lai cao nhờ việc sử dụng tính khỗng hợp ta cần phải thu được các dòng đống hợp tử về các alen s. Bằng phương pháp tự thụ phấn nhân tạo qua 3-4 thế hệ ta có thể đạt được điều đđ. Tính d&ng hợp tử theo các alen khác nhau của các dòng ỉà rất cần thiết cho việc đảm bảo quá trinh thụ tinh của các c&y mẹ bằng hạt phấn của các dòng khác, để thu nhận được 100% hạt lai. Ví dụ, từ các thứ cây có các kiểu gen khác nhau là S|S 2, SjSj, SịS^ bằng phương pháp tự phối cưỡng bức ta sẽ tách được các dòng thuần SịSj, 8 ^82 , S3S3, Dầu tiên, cho từng hai dòng một giao phối với nhau ( SjSj X S 3S3; S2S2 X s^s^) để tạo con lai đơn. Sau đó, các hạt lai đơn được gieo chung trên một diện tích để nhận hạt lai kép từ 4 dòng. Hiện nay hệ thổng tính khâng hợp thể bào tử đã được sử dụng để sản xuất hạt lai Fj ở bắp cải, ngô 1.9.2. Phương pháp khác phục tính không lai dược giữa các ỉoàỉ J.9.2.1. ức chẽ sinh lý Có thể sử dụng một số tác nhân gãy ức chế như nhiệt độ cao, tia phổng xạ hay các hoá chát úc chế sự tổng AEN hay protein tác động vào nơi xảy ra phản úng của tính hỢp hay không hợp (núm nhuỵ hay vòi nhuỵ). Theo Lewis (1979), phản ứng giữa các sản phãm gen giống nhau ở hạt phấn và vòi nhuỵ cổ thể bị loại bỏ dQ sự téc động của một sổ chất ức chế đối với quá trỉnh trao đổi chất. Việc sử dụng các tác nh&n gây ức chế sinh lý này rất quan trọng cho việc tạo các dòng s đồng hỢp tử để sản xuất hạt lai Fj (ví dụ, Qgười ta đã làm như vậy ở cây bấp cải, ca cao ). 1.9.2.2. Loại bà tính khổng hợp trong quá trình giao phối nhờ đột biền Tính khống tự hợp d trạng thái thế bào tử khững thích hợp cho các nghiên cúu đột biến. IVong khi đó, tính khống hợp ở trạng thái thể giao tử (đặc biệt khi do đơn gen kiểm soát) rất thích hợp cho việc nghiên cứu đột biến. Việc thử nghiệm trồn diện rộng cổ thê’ cho phép phát hiện ra các đột biến tự hợp. TVong thực tế, một hạt phấn đột biến hữu thụ nào đổ sẽ xâm nhập được vào túi noăn và truyền những đặc điểm đột biến cho thế hệ sau. Sau khi xử lý nụ hoa (đang ở giai đoạn giảm phân) bàng tác nhân gây đột biến, sẽ hlnh thành nên hàng triệu hạt phán như vậy. Các hạt phấn này rất ctí thể được íiỉnh thành nhờ hiện tượng locut s bị mất hoạt tính hoàn toàn hoặc một phần, hoặc do íocut này biến mất do hiện tượng mất đoạn nhiễm sắc thể. Nhièu trường hợp đâ được xác định là, các đột biến khống làm thay đổi kiểu hỉnh của hạt phấn, nhưng đã biến đổi như thế nào đđ mà vòi nhuỵ không nhận diện được chúng.
16. 16 HỆ THỐNG DI TRUYỀN KỂM SOÁT TÍNH KHỞNG HOP ỏ THựC VẬT Các dạng đởt b ^ n tự hợp đa được tạo ra tbuỜĐg nhờ các dạng pihống xạ à nhiều chi thực vệt khác nba», nhu Oenothera, Pmnais^ Nicĩotiana, Petunia và Trifolium. Những cây đột biến tự họp d| hợp tử về 1 locut (tTO<ng trường hợp đờn gen) qua tự thụ phán ta sã tách ra đưọc các dòng tự hạp đồng hợp t ử . Từ đổ, sau khi thử khả n&ng kết hợp ta sô tìm ra được những tổ họp tổt cho việc sAn xuát hạt ỉai Fj. Nhờ phương p ^p như vậy, người ta đft tạo được dạng anh đào ng(»t có nhi&u ưu điểm trong thu hoạch được trồng ở Canađa. 1.9.2.3. Khắc phục tính không hợp khi lai giira các loài ở một sổ chi thực vật, khi dùng các dạmg phóng xạ để xử lý các giao tử đực hoặc cái người ta khấc phục được hiện tượng khống hợp khi lai giữa các loài, ví dụ như d các chi Tnfolium, Braasica, Vicia, Hordeum, Antirnhinum, Lycopersicon TVường hợp điển hình ỉà, nhờ đó mà việc ỉai giữa hai loài thuốc lá N. glauca và N. forgetiana đã thành cổng (Pandey, 1974). Theo tác giả này, đổ là do hiện tượng đột biến ở phức hệ gen s. Một phương pháp khác đă được áp dụing aó hiệu quả để khác phục hiện tượng không hợp khi lai khác loài là phương pháp huấn luyện ("mentor") do Knox (1972) đề ra. TVong phương pháp này, người ta trộn hạt pliân liạip đã bị "giết” bàng methanol với hạt phán khỗng hợp. Phương pháp này áp dụng ũó hiệu quả để lai giữa các loài à chi Popunus. Một biện pháp tương tự khác cũng đem kết quả là, trộn vào hạt phđn khổng hợp một lượng proteiiỉ được chiết ra tỉ< bao p h ^ bợip.
17. 17 Chương 2 ƯU THÊ LAI VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GlốNG THựC VẬT 2.1. KHÁI NIỆM v £ HIỆN TƯỘNí; ư u THÍ LAÍ ư u thế lai là niột khái niệm vê hiệu quả lai, tức là nảng lực sinh trưởng và phát dục cao hơn của con lai ở thế hệ thứ nhất so với các dạng bố mẹ của chúng. Hiện tượng này thể hiện đặc biệt rõ ràng ở những con lai thu được do kết quả giao phối giữa các dòng tự phổi với nhau. Hiện tượng ưu th ế líú làn đàu tiên được nhà khoa học người Dức I. Koelreuter (1733- 1806) phát hiện vào nảm 1760 trong các thí nghiệm về lai xa ở thuốc lá (ỉỉicotiana paniculata X N. rustica). Sau này, nhiêu nhà nghiên cứu khác trong khi tiến hành nghiên cứu lai ở thực vật đa đè cập tới hiện tượng này. Tuy nhiên, những vấn đề lý luận củà hiện tượng ưu thế lai lần đầu tiên được Darwỉn nêu ra trong tác phíỉm "Tầc dụng của sụ thụ phán chéo và tự thụ phán trong giới thực vật', òng giải thích nang lực sinh trưởng và sức sống cao của thế hệ sau, thu nhận được từ quá trỉnh lai là kết quả của sự hợp nhát giữa các yếu tố sinh dục dị chẫt. Các nhà chọn giống Mỹ là Beal (1876) và Shull (1908) đă mở đầu cho việc sử dụng thực tế hiện tượng ưu thế lai bằng các cổng tiinh về ngũ với những con laỉ đơn giữa dòng có nâng suất cao hơn những thứ ban đầu 10 - 15%. Shull (1914) cững chính là tác giả đầu tiôn đưa ra thuật ngữ ưu thế lai (heterosis). Sau nèy, Jones (1917) là một trong những người đầu tiên, đ& đ% ra việc sử dụng con ỉai kép giữa dòng à ngổ. So với con lai kép, mộc dầu gía thành hạt giồng con lai dơn có cao hơn, nhưng vi nổ cổ độ đ&ng đỉu và năng suất cao hơn nẽn ở nhiều nưóc, như d Mỹ giđng ngố lai đơn vẫn chiếm phần lớn diện tích tròng ngô trong nước. TVung bình ngô lai cđ sản lượng cao hơn các thứ ngô binh thường 25-30%. Ngoài ra, nd còn có nhiều đặc tính chống chịu khác hơn hản bổ mẹ như tính chống ndng, chổng lạnh, chống đổ, chổng sâu bệnh Diện tích tròng ngô trên thế giới nảm 1996 - 1997 là 139 480 000 ha với tổng sản lượng là 571 170 000 tÃn; trong đó diện tich tr&ng ngổ lai chiếm khoảng 63%. Năng suất ngô bình quân ở các nước Tầy Âu và Bác Mỹ dạt tới gàn 7 tấn/ha (riêng ở Mỹ tới 15- 18 tấn/ha), ở các nước đang phát triển là 2,5 tấn /ha. ở Việt Nam, trước đây diện tích tiủng ngố chỉ là khoảng 400 000 ha và năng suất bỉnh quan chỉ đạt 9-12 tạ/ ha. Giổng ngổ lai đàu tiên của Việt Nam ra đời nãm 1978 tại Trung tâm nghiên cúu Ngổ sổng Bỏi - ngày nay là Viện nghiên đoạn 1980 - 1990 Trung tâm này đă cho ra đời hàng loạt các giống n ^ laịjCíí;:giậ#iiiỊỊX)ng sản 13169 '
18. 18 ƯU THỂ LAI VÀ ÚNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT xuất, gdp phần đưa năng suất ngô bỉnh quân ở nước ta lên tới 1,4 - 1,7 tđn/ha với tổng sản lượng tìí 600.000 - 850.000 tấn. Nước ta chính thức đưa ngô lai vào thử nghiệm trong sản xuất từ năm 1990. Dốn năm 1996, diện tích trồng ngô lai đã lên tới 230.000 ha (chiếm 40% diện tích trồng ngô trong cả nước) với năng suất bình quân là 2,17 tấn/ ha và tổng sản lượng là 1,23 triệu tán. Theo dự kiến, đến năm 2000 diện tích trồng ngỗ lai ở nước ta sẽ là 1 triệu ha ( chiếm 60-70% diện tích trồng ngô), năng suất bình quân đạt 3 tấn / ha và với tổng sản lượng là 3 triệu tán. ỏ nhiều loại cây trồng khác như kê, cao ỉương, lúa mì, lúa mạch, cà chua, hành, củ cải đường, hướng dương., hiện tượng ưu thế cũng đã được nghiên cứu và sử dụng . ỏ cao lương, các dạng con lai giữa dòng cổ năng suất cao hơn dạng tiêu chuẩn 9 - 18 tạ/ha. Con lai giữa dòng của củ cải đường có năng suất cao hơn dạng tiêu chuẩn 4 - 5 tạ/ha. ở một số nước, đặc biệt là Nhật Bản việc sử dụng ưu thế lai ở các cây rau đem lại kết quả rất to lớn. ỏ Nhật Bản cd 26 trong sổ 33 thứ bắp cải, 32 trong sổ 33 thứ cà chua và cả 12 thứ hành trong sản xuất đều là dạng cây lai. Với cây hành sản lượng của cây lai cao hơn dạng bình thường 30 - 45%. ỏ Bungari 70% tổng diện tích trông trọt dành cho các dạng cây lai, 100% diện tích trồng cây lai để lấy sản phẩm xuất khẩu. ưu thế lai thường biểu hiện mạnh mẽ ở các cây giao phấn. Tuy nhiên ở một số cây tự thụ phấn, hiện tượng ưu thế lai cũng thấy xuát hiện rõ rệt như ở lúa ml, cà chua 2.2. KHÁI NIỆM VÈ DÒNG Tự PHỐl VÀ s ử DỤNG NÓ TRONG CHỌN GIỐNG 2.2.1. Khái niệm về dòng tự ph(fi Dòng tự phối là thế hộ thu được do sự tự thụ phán nhân tạo qua một số thế hệ à các dạng c&y giao phấn. Nghiên cứu về một di truyền các dòitg tự phối, người ta đi đến những kết luậh sau: (1) Dòng tự phổi là phương pháp cd hiệu quả đế khám phá ra tính đa dạng về mật di trttyền của loài, thứ Ban đầu nđ đưa đín 8 ự phAn ly phức tạp và 8 ự đa dạng của các cá thể. T\iy nhiên về sau, qua một Bố thế hộ thi chúng ổn định, ^ng đều dán vd mật di truyỉn, cd những đặc trưng ridng và khác với những dòng khác. (2) Việc ổn định này xảy ra phụ thuộc vào múc độ giổng nhau giữa các cá thể giao phổi, ở ngỡ, với mức độ cực đại, trải qua qụá trinh tự phổi 6 - 7 thế hộ, mới cho phổp thu được dòng thu&n. (3) Những cây trong cùng một dòng cổ sự giđng nhau s&u sác v% mặt di truySn là đặc tính cơ bản của dòng thuần. Các c&y trong phạm vi một dòng giữ vững đặc tính của chúng qua nhiều thế hộ. (4) ỏ c&y giao phán, sự gỉao phối g&n dAn đến những sự suy thoái nhít định. Bdỉ vậy, dòng tự phổi cđ sức sống khổng cao và nảng suất thấp. Nhưng con lai thu được giữa các dòng tự phối thi lại cđ ưu thế lai và sản lượng cao. TViy nhiẽn, càn đặc biệt chú ý là hiện tượng này chỉ thể hiện rõ ràng nhất ở thế hệ thứ nhất (Fj). Các cá thế sản sinh ra từ Fj và sau đấy nữa bàng con đưdng tự thụ phấn lại cổ sức sổng và sản lượng giảm d&n. Bởi vậy, trong thực tế ít khỉ người ta dùng con lai ở các thế hệ F 2, F3 Tk hây xét trưòng hợp cụ thể ở ngô. Năm 1905 lần đàu đầu tiên Shull thu được ngô
19. co sỏDI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THựC VẬT 19 lai giữa dòng có sản lượng cao và ưu thế lai rõ rệt. Nhưng hiện tượng ấy chỉ đặc trưng cho Fp đến F 2 thi sản lượng giảm đi 35'/t và đến F3 chỉ còn 50%. Dể tính sản lượng của F 2 đối với con lai đơn và con lai kép Wright đề nghị dùng công thức sau: F, - p 2= ^ 1 F. - — n trong đó: F2: sản lượng của F|: sản lượng của Fj; P: sản lượng trung bình cua các dòng tự phối bố mẹ; n: số iượng dòng tự phối. 2.2.2. Phưcrng pháp tạo dòng tự phối 2.2.2.1. Chọn vật liệu ban đau để tạo dòng tự phối Vật liệu ban đầu để tạo dòng tự phối nên có nền di truyền rộng, chứa nhiều kiểu gen khác nhau và mang nhiều đặc tính nông - sinh học quí. Vỉ thế, thường đo' là những giống tổng hợp hoặc giổng nhập nội. Tuy nhiên, nếu vật liệu ban đàu là những giống địa phương thì các dòng thuần được tạo ra từ đó lại có tính thích nghi cao; còn nếu vật liệu ban đầu là các giống lại thì kết quả tạo gióng mới sẽ nhanh hơn. 2.2.2.2. Các phương pháp lạo dòng tự phăi Có ba phương pháp cơ bản đê’ tạo dòng tự phối ở ngô, (1) Phương pháp chuẩn : Chọn các cây khoẻ mạnh và điển hình cho quàn thê’ của vật liệu ban đàu, rồi cho cho tự phối bàng phương pháp cách ly. Các báp tốt được chọn lựa và gieo theo kiểu báp / hàng. Sự chọn lọc được lặp lại như vậy ở các thế hệ tiếp theo. (2) Phương pháp hốc đơn: Dây là một biến dạng của phương pháp chuẩn; hàng được thay thế bàng hốc đơn 3 cây trong mỗi chu kỳ chọn lọc. VI thế, phương pháp này cđ ưu điểm là cho phép đánh giá được số iượng thế hệ nhiêu hơn trển cùng một đơn vị diện tích, nhưng lại hạn chế về khả năng chọn lọc trong mỗi thế hệ. (3) Phương pháp tạo các dòng lưỡng bội đồng hợp tử bầng kỹ thuật nuôi cấy hạt phấn in vitro kết hợp với phương pháp gây đa bội hda bàng chất colchicine. Sau quá trình cho tự phối 5- 6 thế hệ như vậy, các dòng thu được phải đìng đều về mọi tính trạng, như độ cao cây, hỉnh thái cây, hạt, màu sắc cờ, Dem những cây trong cùng một dòng giao phối với nhau, nếu ở thế hệ sau khổng có gi sai khác vối các cây giao phổi ban đàu thì dòng ấy đâ thuần. Đem ỉai hai dòng tự phối với nhau, ta thu được con lai đơn giữa dòng. Hai con lai đơn giao phối với nhau cho ra con lai kép giữa dòng. Tuy nhiên, để tạo ra được con lai đơn và kép có sản lượng cao, việc chọn các dạng bố mẹ là một khâu rất quan trọng và phức tạp. Các dòng tham gia vào quá trỉnh tạo con lai phải là những dòng thuộc những thứ khác nhau. Ví dụ để tạo ra một con lai kép phải lấy bốn dòng A, B, c, D từ bốn thứ khác nhau (A X B) X (C X D). Nếu bốn dòng ấy thuộc cùng một thứ, như kiểu
20. 20 ƯU THỂ LAI VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT (Aj X A^) X (A^ X A^), thì con lai kép có ưu thế lai rất thấp. Dể quá trình sản xuất hạt lai có kết quà càn nghiên cứu về thời gian tự phối để cd được dòng đồng hợp tử và phương pháp đánh giá nhanh ve giá trị mỗi dòng. Vấn đề xác định giá trị của mỗi dòng là đánh giá khả náng kết hợp (KNKH) của chúng. 2.2.3. Nguyên tác và phương pháp dánh giá khả năng kết hợp 2.2.3.L Nguyên tắc đánh Ịiiá KNKH của các ứòng tự phối Theo tính toán của các nhà nghiên cứu thì chỉ cđ khoảng 0,01 - 0,1 % các dòng thuàn được tạo ra là có khả nâng cho ra các con lai có ưu thế lai cao (Hallauer & Miranda, 1988). Đó chính là các dòng cd KNKH cao. Muốn tìm được các dòng đó phài thử KNKH của chúng bằng cách lai thử. Dựa trên sự biểu hiện các tính trạng của con lai mà ta có thể xác định được tiềm năng tạo ưu thế lai của các dòng; và chỉ những dòng cho ưu thế lai cao mới được giữ lại. KNKH là một đặc tính di truyền, nên được duy trì qua các thế hệ tự phối. Người ta chia KNKH ra làm hai kiểu: khả năng kết hợp chung - KNKHC (general combining ability = GCA) và khả nàng kết họp riêng - KNKHR (special combining ability = SCA). KNKHC được xác định bằng giá trị trung bình ưu thế lai của tất cả các tổ hợp lai cd mẫu tham gia vào lai thử. Còn KNKHR là độ lệch của một tổ hợp lai cụ thể nào đổ với ưu thế lai trung binh của nố, hay ndi khác đi là đặc tính của dòng khi lai với một mẫu thử cho con lai có ưu thế lai hay không. KNKH là một phức hợp tính trạng do nhiều gen kiểm soát. Trong khi KHKHC được kiểm soát bởi kiểu hoạt động di truyền cộng tính của các gen trội, nên khá ổn định dưới tác động của các yếu tố môi trường ngoài, thỉ KNKHR lại được xác định bởi các kiểu hoạt động tính trội, át chế hay siêu trội của cấc gen và chịu tác động rõ rệt của điều kiện ngoại cảnh (Srinivasan, 1991). vì thế, khi thử KNKHR thường người ta phải tiến hành qua một số thời vụ ở những vùng sinh thái khác nhau. Trong quá trình tạo và chọn lọc các dòng tự phối, sau khi đã xác định KNKHC người ta mới tiến hành xác định KNKHR. Tuy nhiên, khi xét KNKHC nếu ta loại bả các dòng một cách quá chặt chẽ thì đôi khi có thể để mất một số dòng cd giá trị về sau. Việc thử KNKH tiến hành vào lúc nào thì thích hợp ? Vấn đề này cd nhiều quan điểm khác nhau. Một số nhà nghiên cứu cho rằng, KNKH là một đăc tính di truyền, được thể hiện khá sớm nên cd thể thử KNKHC từ thế hệ tự phổi Sj, s^, thậm chí ngay cả vật liệu khởi đầu và thử KNKHR vào sau đó đổi với những dòng có KNKHC cao (Sprague, 1946; Cao Đác Điềm, 1988). Bauman (1981) và nhiều nhà chọn gỉống Mỹ thỉ cho ràng} ở các thế hệ sớm như Sp S 2 cd thể chọn lọc các dòng tương đối thuần thông qua đánh giá bằng mắt, còn việc thử KNKH chỉ nên làm ở thế hệ S 4 hoặc muộn hơn. 2.2. J.2. Các phương pháp thử KNKH Để đánh giá KNKH, thường người ta sử dụng hai hệ thống lai thử là lai đinh (top cross) và lỉiàn giao hay lai dialen (diallel cross). • Đánh giã KNKHC bằng phương pháp lai đinh Phương pháp lai đinh do Devis (1927), Jenkins và Bruce (1932) đề xướng, dùng để đánh giá KNKHC, bàng cách đem các dòng tự phối hoậc giống định thử, lai với một dạng
21. CO s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GlốNG THựC VẬT 21 cảy mà ta đà biết rõ nhiều đặc tính về mặt di truyền và nông - sinh học quan trọng của nó, gọi làdạng thù (tester). Dể làm tăng tính chính xác của thí nghiệm, người ta cđ thể sử dụng một số dạng thử khác nhau. Lai đinh là một phương pháp cđ hiệu quả được sử dụng trong giai đoạn đàu của quá trình tạo dòng tự phối khi số lượng dồng còn rất lớn. Tuy nhiên, trong hệ thóng lai đỉnh có một vãn đề quan trọng là phải chọn lọc được dạng thử thích hợp. Nếu dạng thử cd KNKH cao thì khả năng thảnh công sẽ lớn hơn so với trường hợp KNKH trung binh hoậc thấp. Dạng thử cd thể có nền di truyền rộng (giống thụ phấn tự do, giống lai kép hay giổng tổng hợp), hoặc cd nền di truyền hẹp ( dòng thuàn hay giống lai đơn). Khi dạng thử có nền di truyền rộng thỉ các kết quả thu được sẽ cho thấy rố hơn sự khác biệt giữa các dòng đem thử và việc đánh giá dòng sẽ dẻ dàng hơn (Matzinger, 1953). Mặt khác, nếu ta sừ dụng đồng thời hai dạng thử ; một dạng cd nền di truyền rộng ( giống thụ phấn tự do) và một dạng có nền di truyền hẹp (dòng thuần), thì sẽ rất cd lợi trong việc vừa xác định KNKH của dòng cần nghiên cứu, vừa cd khả năng tạo ra giống nhanh phục vụ sản xuất (N.H. Tình, 1990). Từ kết quà lai đỉnh người ta có cơ sỏ để loại bò những dòng không phù hợp yêu càu và chỉ giữ lại những dòng cd khả năng cho ra con lai có ưu thế lai để đưa vào đánh giá KNKHR bằng hệ thống luân giao. • Đánh giá KNKHR bằng phương pháp luân giao Luân giao hay còn gọi là lai dialen là hệ thống lai thử, mà trong dó các dòng hoặc giống định thử được đem lai luân phiên với nhau theo mọi tổ hợp cđ thể cđ theo cả hai hướng lai thuận và lai nghịch. Phương pháp luân giao dùng để đánh giá KNKH do Sprague và Tktum (1942) đề xướng và về sau đã được nhiều nhà nghiên cứu khác phát triển và hoàn thiện; trong đđ có Griffing (1954; 1956) là người đã nêu lên bốn phương pháp sử dụng mô hình toán học thống kê để phân tích KNKH của các dòng tự phối, mà cho đến nay vản đựoc sử dụng rộng rài trên thế giới: Phương pháp 1 : Tất cả các dòng định thử được đem lai luân phiên với nhau theo mọi tổ hợp lai có thể cd, theo cả hai hướng thuẠn và nghịch. Sô' tổ hơp lai cần phải tiến hành là : . Phương pháp 2 : Tất cả các dòng định thử được đem lai luân phiên với nhau theo mọi tổ hợp lai cd thể cđ, nhưng chỉ theo hướng thuận. Số tổ hợp lai cần phải tiến hành là : n{n+l)/ 2. Phương pháp 3 : Chỉ các dòng khác nhau mới được lai luồn phiên với nhau, theo cả hai hướng thuận và nghịch. Số tổ hỢp lai càn phải tiến hành là ; n(n - 1). Phương pháp 4 : Chỉ các dòng khác nhau mới được lai luân phiên với nhau, nhưng chỉ theo hướng thuận. Số tổ hợp lai cần phài tiến hành là: n (n - l)/2, trong đd: n là số dòng tham gia vào các tổ hợp lai để thử KNKH. Tùy theo mục tiêu nghiên cứu và điều kiện cụ thể mà ta 'cd thể chọn lựa một trong các phương pháp trên cho thích hợp. Với việc áp dụng các phương pháp 1 và 2 ta sẽ nhận được những kết quả chính xác hơn, nhưng lại đòi hỏi nhiêu công sức và thòi gian. Còn trong thực tế chọn giống thì thường người ta hay sử dụng phương pháp 4. Mặc dàu người ta có thể sử dụng phương pháp luân giao để đánh giá KNKHC và
22. 22 ƯU THỂ LAI VÀ ÚNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT KNKHR, nhưng thường số lượng các dòng tự phối cần đem thử là rất lớn nên số lượng tổ hợp lai cần tiến hành là rất đồ sộ, khố thực hiện được trong thực tố. Vì vậy, phương pháp này thường chi đựơc dùng để xác định KNKHR đối với các dòng cd KNKHC cao. Như đã nổi, muốn thử khả nâng kết hợp riêng phải tiến hành lai lu&n phiên các dòng định thử với nhau. Sổ tổ hợp lai cần thiết phải tiến hành để tỉm ra tổ hạp lai tổt nhăt là rất lớn và tính theo công thức; r!(n - r)! trong đó n; số dòng định thử; r: số dòng tham gia vào mỏi tổ hợp (ở lai đơn r = 2, ở lai kép r = 4). ở ỉai đơn cỗng thức đd là: _ n! _ n(n - l)(n - 2) ■■■ [n - (n - 1)] _ n(n - 1) 1 2!(n - 2)! 2.1.(n - 2)(n - 3) [n - (n - 1)1 2 Nếu kể cả các tó hợp lai nghịch thl Xj = n(n - 1) ỏ lai kép cống thức ăy biến đổi là: _ n! _ n(n - l)(n - 2)(n - 3)(n - 4) - [n - (n - 1)] ^ " 4!(n - 4)! “ 4.3.2.l<n - 4) [n - (n - 1)] n(n - l)(n - 2)(n - 3) 24 Nhưng vì cú 4 dòng thỉ khổng phải chỉ cho ra 1 tổ hợp lai kép 4(4 - 1)(4 - 2)(4 - 3) 4.3.2.1 = 1 , mà là cho ba tổ hợp. 24 24 Ví dụ, ctí 4 dòng A, B, c, D chúng cho ta 3 tổ hợp là (A X B) X (C X D) (A X C) X (B X D) (AxĐ)x<BxC) Vì vậy số tổ hợp tăng lên gấp 3 lần và cống thúc cuối cùng ỉà: Y3n(n - l)(n - 2)(p - 3) 24 Ví dụ, nếu cđ 20 dòng thi sổ tổ hợp ỉai phải tiến hành ỏ lai đơn là: ở lai kép là; Với n = 30 thỉ X 2 = 82215 Với một số tổ hợp lai lớn như vậy trong thực tố khống thể làm nổi. Bởi vậy, việc đề ra phương pháp làm giảm sổ tổ hợp lai cần nghiên cứu là một vấn đề rất cổ ý nghĩa. Người ta đề nghị giải quyết điều đố bằng cách đánh giá sơ bộ và loại bỏ các dạng xấu ngay từ đầu. T\iy nhiên cống việc ấy làm cũng khổng chính xác.
23. CO S ỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THựC VẬT 23 Jenkins (1934) và Anderson (1938) đâ đề ra phương pháp sau đây để giải quyết ván đ® đó. Theo các tác giả trên thl sàn lượng con lai kép (A X B) X (C X D) gần bằng sản lượng trung bình của 4 con lai đơn: (AxC) + (AxD) + (BxC) -I- (BxD) 4 Bầng phương pháp này, dựa trên sản lượng của các con lai đơn ta có thể tính được sản lượng gàn đúng của các con lai kép. Thành thử, số tổ hợp lai cần tiến hành ở lai kép được rút xuống: r 3n.(n - l)(n - 2)(n - 3) n(n - 1) n lần = (n - 2)(n - 3)/4 lần (ví dụ, khi n = 20 thl rút xuống (18 X 17) / 4 lần = 76ý5 làn) Trong chọn giống ngô, ngoài việc sử dụng các con lai đơn, kép giữa dòng, người ta còn tạo ra các dạng con lai giữa 3 dòng, con lai thứ - dòng, và con lai giữa các thứ để dùng vào sản xuất. Tất nhiên trong đó dạng con lai giữa dòng vẫn cho nâng suất cao nhất. Vf dụ, thường con lai giữa thứ cho sản lượng cao hơn các thứ bình thường 2 - 2,5 tạ/ha thì con lai kép giữa dòng có sản lượng cao hơn 9-12 tạ/ha. • Cac công íhức tính ưu thế lai Sinha & Khanna (1974) và Omapop (1975) đã nêu ra các công thức tính những dạng ưu thế lai như sau : {F, - (P, + P,)/2} ưu thế lai trung binh HMP = _ . (%) (P, + P2)/2 F, - p, (hoăc P J ưu thế lai thực Hb = m Pj (hoặc Pị ) Fị - gióng đối chứng ư u thế lai chuấn Hs = ^ í%) giống đối chứng trong đó : (Pj +P2) / 2 : giá trị trung binh các giống bố mẹ; Pj (hoặc P 2): giá trị giống bố hoặc mẹ tốt nhất; Fj : giá trị tương ứng của con lai; P ị.Pị ; giá trị giổng bố, mẹ. 2.3. DI TRUYỀN TÍNH BẤT THỤ Đ ực VÀ PHƯƠNG PHÁP sử DỤNG NÓ TRONG CHỌN GIỐNG 2.3.ỉ. Khái niệm về hiện tượng bất thụ dực Bất thụ đực (BTD) ở thực vật là hiện tượng cây không có khả năng tạo ra hoặc không phóng thích được những hạt phấn có chức năng. Hiện tượng bất thụ đực được chia ra làm mấy kiểu sau: 1) bát thụ hạt phấn : không có hoặc có rất ít hạt phấn có chúc năng; 2) bất thụ đực do cấu trúc : nhị hoặc hoa đực dị dạng hoặc hoàn toàn không có; 3) bất thụ đực chức năng; hạt phấn phát triển bình thường nhưng bao phấn không mở. Trong 3 kiểu trên thỉ kiểu thứ nhất hay gặp nhất và có ý nghĩa quan trọng trong chọn
24. 24 ƯU THỂ LAI VÀ ÚNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT giống thực vật. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng khống cổ hạt phán của kiểu bát thụ đực này là do tàng nuôi ( lóp trong cùng của thành bao phán) cd cấu trúc dị thường hoậc khổng thực hiện được chức năng của nd dẫn đến qiiá trỉnh phát sinh tiểu bào tử bị rối loạn. Dựa vào đặc điểm di truyền của nđ, tính bát thụ đực cd thể phân thành hai nhóm chinh: 1) Bất thụ đực nhân ( nuclear male sterility - NMS ) hay gọi là bất thụ đực di truyền. Tính bất thụ đực ở đây do một hay một số gen trong nh&n kiểm soát. 2) Bất thụ đực tế bào chất (BTDTBC) (cytoplasmic male sterility - CMS), ở đây tính bất thụ đực là do sự phổi hợp tác động giữa các gen trong nhân với "tế bào chất bất thụ ’ (S) - đối lập với " tế bào chất hữu thụ "(N) do những biến đổi về gen hoặc vè cấu trúc trong hệ gen cơ quan tử ở tế bào chất gây ra. Ngoài ra, ta cd thể tạo ra hiện tượng bất thụ đực khống di truyền bàng các hoá chát cđ khả năng diệt giao tử đực được dùng trong quá trỉnh lai tạo (chemical hybridizing agents = CHA). 2.3.2.Phftn loại các kiểu bát thụ dực 2.3.2.1. Bất thụ đực nhân Bất thụ đực nhân bát nguồn từ đột biến ngẫu nhiên là hiện tượng hay gặp trong tự nhiên. Tần số đột biến kiểu này khá cao; ví dụ ở ngổ, cà chua, lúa mì ngưòi ta đă biết đến khoảng hơn 40 gen gây bất thụ đực. Theo Duvick (1966), tính bất thụ đực nhAn có thể tlm thấy d tát cả các loài lưỡng bội. Cd thể dùng các tia phtíng xạ hoậc một sổ hoá chất để gây ra tính bát thụ đực. Tính bất thụ đực nhân thường do một gen lận kiểm soát. Khi những cây bất thụ đực nhân được thụ phán bằng phấn của cây sinh sản binh thường thỉ Fj sinh ra đ%u hữu thụ. Nhưng ở ?2 (do tự thụ phấn) thỉ cứ 3 c&y sinh sản bỉnh thường ỉại xuẵt hiện 1 cây bđt thụ đực. Tuy nhiên, tính bất thụ đực cũng cổ thể do một 8 Ố gen lận (Drilscoll, 1986) hoặc gen trội kiểm sớát ( Mathias, 1985). 2.3.2.2. Bất thụ đực tể bào chất Hiện tượng bất thụ đực khổng phải chỉ do nh&n mà còn do tế bào chăt kiểm soát l&n đầu tiên được Correns khám phá (1904) ở Saturẹịa, sau đó là Beteson và Gairdner (1922) ở cây gai. Tuy nhiên, chỉ sau phát hiện của Khatjinov (1928) và Rhoades (1931) về hiện tượng bất thụ đực ở ngô thi vấn đề này mới thực sự cd ý nghía. Ngay sau khi phát hiện ra hiện tượng này Khatjinov đă đề nghị ứng dụng ntí vào thực tiễn. Dề nghị này măi 16 năm sau mdi được thực hiện khi Mangelsdorí lại tim thấy tính bát thụ đực tế bào chát từ một dòng ngố tự phối của thú Goldenịun. Đột biến này đặc trưng d tính bẵt thụ hoàn toàn của hạt phấn và đặc tính này được di truyền lại theo dòng mẹ. Tức là khi dùng căy mẹ bát thụ đực giao phối với cây bình thường thì con cái thu được cũng bát thụ đực như mẹ. Về mặt hình thái, cây bất thụ đực và cây bình thường có một số điểm khác nhau, ở cây ngô, cờ của cây bất thụ trơ trụi, bao phấn lép và bao phấn nhô ra khỏi gié không ctí trật tự từ trên xuống dưới như ở cây bình thường, hạt phán nhăn nheo, không chứa tinh bột (khống có phản ứng màu xanh với iod) .
25. c o s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT 25 Cần nói thêm ràng, trong điêu kiện tự nhiên, do ảnh hưởng của những điều kiện khí hậu khác nghiệt, như quá ntíng hoậc quá khố., mà hạt phấn cũng cd thể trở nên bát thụ. Nhưng đặc tính này khống di truyền được. Dựa vào ngu&n gốc, BTDTBC có thể được phân ra làm BTDTBC dồng nguồn (autoplasmic CMS) và BTDTBC dị nguồn (alloplasmic CMS). BTĐTBC đồng nguồn là trường hợp nd được hình thành do kết quà của những biến đổi ở hệ gen ty thể trong tế bào chất ở phạm vi một loài. CònBTDTBC dị nguôn là trường hợp nó hlnh thành do kết quả của quá trỉnh lai khác loài ( chảng hạn vì tính không hợp hoặc sự khỗng tương hợp giữa hệ gen nhân của loài này với hệ gen ty lạp thể của loài khác) hoặc do sự dung hợp tế bào trần khác loài. Trong số 140 loài được biết có hiện tượng BTĐTBC (Laser & Lersren, 1972) thl cd 56% thuộc loại BTĐTBCđông nguồn. Về nguyên nhân gây ra BTDTBC ctí nhiêu giả thuyết khác nhau: Atanasoff (1964) cho ràng, đó là do sự xâm nhiễm của virut. Mặc dầu những bằng chủng của giả thuyết này còn thiếu xác thực, nhưng các nghiên cứu ở Vicia faba cho tháy BTĐTBC có quan hệ đến những hạt kiểu như virut có trong tế bào chất và tính ổn định của BTDTBC có liên quan đến mật độ của những phần tử này (Berthaut, 1990). Quan niệm cho ràng, những biến đổi trong ty thể của tế bào chất là nguyên nhân gây ra BTDTBC đă được Rhoades nêu lên từ rất sớm (1905). THiy nhiên, mâi gần đây bàng những kỹ thuật phân tỉch của sinh học phân tử, người ta mới chứng minh được rầng các đoạn phân cắt giới hạn do endonuclease tạo ra đối với ADN trong ty thể ( m t -ADN) của dạng hữu thụ và bãt thụ đực là khác nhau. Diều này đã được tỉm thấy d nhiều loài cây như, củ cải đường, cao lương, cải dàu, hướng dương, lỏa, cà rốt VI thố người ta cho rằng, chính hiện tượng tái tổ hợp xảy ra ở mt -ADN ( trong phạm vi phân tử hoặc giữa các phân tử mt -ADN ) đâ gây ra BTDTBC (Hallden,1990). Mặt khác, các phân tích hệ gen ty lạp thể ở cây lai sotna có tính bãt thụ đực tế bào chất d thuổc lá, bấp cải cũng chứng minh cho nhận định ràng, BTDTBC xuất hiện là do sự rối loạn chức nảng của ty thể. TXiy nhiên, ở một sổ loài khác BTĐTBC ỉại Hôn quan đến những biốn đổi ở hệ gen của hạt diệp lục ( Cp-ADN), hõặâ ít Rhất nhữag bỉếa đổi Bầy eŨBg ctí liên quan đến BTDTBC , ví dụ như ‘d thuốc lá , bông hay cao lương. • Cơ chể di truỳên kiểm soái tính BTĐTBC Rhoades (1931) và £kỉwardson (1953) là những người đầu tiên nghiên cứu về hiện tượng di truyền tỉnh bất thụ đực tế bào chát ỏ ngỗ. Lúc đ&u ngưòi ta cho ràng sự h&i phục tính hữu thụ ò những c&y bát thụ chỉ do sự thay đổi tính chất của tế bào chất mà khỗQg cđ sự tham gia của gen nào nằm trong nh&n. 'I\iy nhiên, sau này ngưòi ta thấy ràng, đặc tính di truyền chi theo tế bào chát rất ít gập (hỉnh như chỉ ctí kiểu bất thụ đặc biệt do Rhoades khám phá ra). Trong phần lón trường hợp, sự hinh thành tính bát thụ đực tế bào chất cd sự tham gia của cả các yếu tổ di truyền trong nhân và tế bào chất Những công trình nghiên cứu về ngô cho thấy, có thể chia các dòng tự phối làm ba nhổm theo phản ứng của chúng với tính bát thụ đực tế bào chất. (1) Nhóm duy trì tính bất thụ: Các dòng thuộc nhổm này khi đem giao phổi với cây bất thụ cho ra thế hệ con lai bất thụ. (2) Nhóm phục hồi tính hữu thụ: Dó là những dòng khi giao phối với cây bất thụ cho
26. 26 ƯU THẾ LAI VA ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GỔNG THựC VẬT ra con lai cổ khả nang sinh sản bình thường, nghĩa là chúng phục hối tính hữu thụ ở cây bất thụ. Sổ kiểu gen cd khả nang phục hồi hoàn toàn tính hữu thụ khi đem giao phối chúng với các dạng bất thụ đực tố bào chất là rất hạn hữu. Theo Duvỉck (1956) à Mỹ chỉ cd 5 - 10% sổ dòng tự phối ở ngữ cd khả nãng này. (3) Nhđm phục h&i một phần; Khi đem các dòng trong nhdm này giao phối vói cây băt thụ thỉ d Fj thu được các c&y bất thụ, nửa bất thụ và hữu thụ bình thường. Sự t&n tại của ba nhổm kiểu gèn trên khác nhau về phản úng với dạng bât thụ đực tế bào chăt chúng tỏ mổỉ tác động tương hỗ phức tạp giữa tế bào chát, nh&n và mổi trường ngoài trong quá trình hlnh thành và di truyền những tính chất này. Như trên đã nđi, hiộn nay d ngổ ngưdi ta đã biết và nghi 6n cứu khá kỹ hai dạng băt thụ đực tế bào chất là T và M. Hai dạng bất thụ đực này khững chỉ khác nhau về hỉnh thái cò hoa, mức độ bất thụ mà cả vỉ'phản ứng của chúDg khi giao phổi với các dòng tự phối. Cùng một dòng tự phối, khi giao phối với dạng bất thụ này cho ra con lai bât thụ nhưng khi giao phổi với dạng băt thụ kia lại cho ra con lai hữu thụ. Theo phản úng đd, người ta chia các dòng tự phổi ta thành những nhổm sau: (1) Các dòng phục hồi phấn kiểu "T* nhưng lại củng cố tính bất thụ kiểu *M" (vl dụ dòng N 2g) (2) Các dòng củng cổ kiểu bất thụ "T" nhưng lại phục hồi tính hữu thụ kiểu *M" (A i44, COg^). (3) Các dòng củng cố tính bất thụ đực kiểu "T* và "M* (VIR 29, VIR 40). (4) Các dòng phục hồi tính hữu thụ kiểu "M* và "T* (Ky 21, Mj). Hiện nay còn chưa cổ một quan Diộm thật thổng nhát về Cỡ chế kiểm soát di truyền đối với việc duy trỉ tính bãt thụ và phục hồi tính hữu thụ, đặc biệt là v 6 sổ lượDg các gen trong nhân tết)ào. Vỉ cơ bản, hiện cd ba giả thuyết chính : 1) giả thuyết đơD gen; 2) giả thuyết hai gen; và 3) gỉả thuyết đa gen. Gid thuyết dan gen • Jones (1950; 1957) cho rằng tỉnh bất thụ hạt phân là kết quả cửa mối tương tác giữa kiểu tế bão chất đặc biệt đa pđ những thay đổi vd cấu trúc, có khả n&Qg di truy 6n được với gen lặn của nhân được di truyền theo quỉ luật Mendeỉ. IVạng thái trội của các gen này là nguyên nhân gây ra sự phục hôi tính hữu thụ. Jones đề ra hai cơ chế lý thuyết giải thích sự tác động của các alleiỉ trội với quá trình phục hồi tính hữu thụ nhu sau: (1) Các allen trội của những gen phục h&i cđ khả năng điều hoà mối tương tác nhân - tế bào chất một cách binh thường, c&n thỉết cho sự phát triển của những hạt phán hữu thụ; và bàng cách như vậy loại trừ được sự phát trỉến của những hạt phấn bất thụ. (2) Các allen này có khả năng kiềm cbiế hoặc ngan cản ảnh hưởng ”bất thụ hoá' cổ hại. Do vậy các giao tử được phát trỉến bình thường. Trong thực tế, các cơ chế ây hoạt động như thế nào thi còn chưa rữ. Song, người ta thăy cđ mối liẽD quan giữa thời gian xuất hiện các quá trỉnh suy hoá hạt phán với đặc tính tác dụng của các gen phục hồi tính hữu thụ. Những quá trình này cổ thế xảy ra trong một mỏ, một giai đoạn nào đổ hay ở nhiều mổ, trong những giai đoạn phát triển khác nhau. Sự kiềm chế ảnh hưởng cd hại của tế bào chất "bất thụ* bằng các gèn phục hồỉ ctí
27. co sỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT 27 thế được duy trì lâu dài trong quá trình phát sinh giao tử đực ngay cả khi khống có các gen này. Như vậy giả thuyết của Jones cho ràng các gen phục hồi hữu thụ ở nhân chi có tác dụng kiềm chế ảnh hưởng bất thụ hoá chủ không tạo ra những điều kiện mới cho sự hình thành những hạt phấn bình thường. Mangelsdorí (1951) là người đầu tiên nêu lên sơ đồ về sự phục hòi tính hữu thụ ở dạng bất thụ đực tế bào chất kiểu T. òng xuất phát từ giả thuyết cho ràng dpng phục hồi hữu thụ ctí 1 gen trội tương ứng cho sự hinh thành hạt phấn hữu thụ. vì vậy, khi giao phối dòng này với các dòng bất thụ thỉ con cái ở Fj đêu hữu thụ, còn ở F 2 thì cd sự phân ly giữa dạng hữu thụ và bất thụ theo tỉ lệ 3:1. Nếu ta ký hiệu N là tế bào chất bình thường; s là tế bào chất bất thụ ; rf là alen lặn tưang ứng với sự xuất hiện hạt phấn bất thụ; Rf là alen trội tương ứng với sự xuất hiện hạt phấn hữu thụ, thì ta sẽ có sự tương ủng giữa các kiểu gen và kiểu hình như sau : Dòng bất thụ : s. rf rf Dòng duy trì : N. rf rf Dòng phục hồi : N(S). Rf Rf Dòng phục hồi một phần : N(S).Rf rf Khi giao phối dòng bất thụ với dòng duy trì tính bất thụ thì Fj sinh ra đều bất thụ hạt phấn (S. rf rf X N. rf rf -* s. rf rf) Nếu dòng bố là dòng phục hồi thì Fj thu được đều hữu thụ bình thường (S. rf rf X N.Rf Rf -► S.RữD, song ở F 2 sẽ có sự phân ly hữu thụ và bất thụ theo tỉ lệ 3:1. s. Rf rf X s. Rf rf 1 s. Rf Rf s. Rf rf hữu thụ s. rf Rf s. rf rf bất thụ Kiểu phân ly như vậy đă được theo dổi thấy trong các công trinh nghiên cứu ở ngô của Edvvardson (1955) và Khatjinov (1959). Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu sau này lại cho thăy rằng, trong thực tế vấn đề phức tạp hơn nhiều so với lý thuyết đơn gen. Tỉ lệ phân ly ndi trên có thể biến động khá lớn. Theo Stison (1957) điều ấy côn phụ thuộc vào các dòng phục hồi. ví dự, khi giao phối các dòng WF 9, 33-6, Ky 4, Ky s với dòng phục hồi T X 127 thì ở F 2 tỉ lệ phân ly hữu thụ - bất thụ là 9:7, còn khi dùng dòng phục hồi NC 77 và Ky 21 thì ti lệ ấy là 3:1 ở F 2- Giả thuyết hai gen Khác với những quan niệm của thuyết đơn gen, những công trình của Brunson (1954), Snyder (1955) và Duvick (1959; 1964) cho rằng’, trong nhiều trưòng hợp sự phục hồi tính hữu thụ của tế bào chất kiểu T được đảm bảo bởi một số lượng các gen trội lớn hơn 1 và kiểu gen của dạng mẹ bất thụ có ảnh hưởng đến sự xuất hiện tính bất thụ của hạt phấn. Những thực nghiệm của Duvick (1959; 1964; 1965) cho thấy là, kết quả thu được
28. 28 ƯU THẾ LAI VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT khác nhiều so với những kết quả dự tính theo già thuyết đơn gen. Một số tác giả khác cho rằng, để đàm bảo cho sự phục hồi hoàn toàn tính hửu thụ ở kiểu tế bào chất T, dòng phục hồi càn cố 2 gen cơ bản và ít nhất có thêm một gen t rội gây ảnh hưởng. Các gen trội cơ bản cd hiệu quả bổ sung và kết hợp một cách tự do. Những gen ảnh hưởng cđ thể được chuyển vào con lai từ dòng bố hoặc dòng mẹ. Già thuyết này đă được xác nhận trong một số công trình thực nghiệm ờ ngỏ. Trong nghiên cứu của mỉnh, Tầraxenco (1957) nhận thấy rằng, có những dòng khi đem giao phối với dòng bất thụ này thì thể hiện như dạng duy trì tính bất thụ, khi giao phối với dòng bất thụ khác thì lại thể hiện như là dạng phục hồi hoặc bán phục hồi tính hữu thụ. Tàc giá đã giải thích hiện tượng này theo giả thuyết của Duvick v'ê sự phụ thuộc của tính phục hòi hữu thụ vào 2 gen trội cơ bản, không kể đến tác dụng của các gen ảnh hưởng. Các dòng bất thụ có thể có cà 2 gen lặn ở trạng thái đồng hợp tử (bjbjb^b->) hoậc là 1 gen ỏ trạng thái lặn đồng hợp tử còn gen kia ở trạng thái trội đồng hợp tử (bjbjBiB. hav BjBjb 2b 2) hoặc là dị hợp từ ở một locut, còn locut kia thỉ ở trạng thái đồng hợp tử lặn (bjbjB 2b 2 hay Bjb|b 2b 2). Khi giao phối các dòng đồng hợp tử vê cà 2 gen lặn với những dòng phục hồi mang các gen trội đồng hợp tử thì ở thế hệ lai ta thu được là hữu thụ hoàn toàn (T. bjbjb 2b 2 X N. 8 (8 (6262). Khi dòng bố hữu thụ bỉnh thường là đông hợp tử lặn ở locut thứ nhất và đồng hợp tử trội ỏ locut thứ hai; còn dòng bất thụ là đồng hợp tử trội ở locut thứ nhất và đồng hợp tử lặn ở locut thứ hai thì ở hậu thế củng tháy sự phục hồi hoàn toàn (T. bjbjB 2B2 X N. BjBjb 2b 2 hay T. X N. Nếu theo cách kỹ hiệu thông dụng, như đã dùng đói với giả thuyết đơn gen ở trên, thì trong trường hợp này ta cd mối tương quan giữa các kiểu gen và kiểu hlnh như sau: Dòng BTDTBC : s.rfjrf, rf 2rf2 ; S.Rfj- rr.rr^ ; s.rfjĩfj Rf^ - Dòng hữu thụ : N (S). RfjRfj Rĩ^Rĩ^ ; N(S).Rfj- Rf2 - ( phục hồi hữu thụ ) N.Rfj- rÍ2rf2 ; N.rfjrfj Rf2 - N .rfjĩfjrf2rf2 (duy trỉ tính bất thụ). Khi lai dòng mẹ BTĐTBC với dòng bố hữu thụ thỉ tuỳ vào kiểu gen của dòng mẹ và dòng bố mà ta sẽ nhận được thế hệ Fj có thể là hữu thụ toàn bộ hoặc bất thụ hoàn toàn hay chỉ hữu thụ một phàn mà tỉ lệ cây hữu thụ / bất thụ cd thể là 1/3, 1/1, 3/1, 3/5, . Edwardson (1955), Duvick (1961) và nhiều người khác đã tiến hành nghiên cứu định vị các gen phục hôi này. Edvvardson xác định sự liên kết của gen Rfj với gl| ở nhiễm sác số 7; Còn theo xác định của Snyder và Anderson (1961) và Duvick (1965) thỉ gen Rf^ nằm ở trên nhiễm sắc thể số 9. Giả thuyết đa gen Một số tác già như Nicoro và Xidorov (1966) đã đưa ra ý kiến về bàn chất đa gen của tính phục hồi hữu thụ. Theo Dubinin (1967) thì, các gen gây nên tính bất thụ và phục hồi hữu thụ ở các dòng khác nhau là không giống nhau và hiện nay người ta biết khoảng 45 nhân tố di truyền cd liên quan đến tính bất thụ của hạt phấn. Cd thể là sự phục hồi tính hữu thụ ở dạng tế bào chất bất thụ là do tác dụng của nhiều gen trội có tác dụng bổ sung. Việc chuyển một trong các gen ấy vào trạng thái lặn là nguyên nhân gây ra sự bất thụ. Sự có mặt của những gen gây ảnh hưởng trong những
29. CO s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT 29 điều kiện thuận lợi của môi trường có tác động đến các gen cơ bản. Dă cđ nhiều nghiên cứu vạch ra sự phụ thuộc của tính bất thụ đực tế bào chất và tính phục hồi hữu thụ vào điều kiện gieo trồng. Xidorov và Nicoro đă đề ra phương pháp xác định số lượng gen trội đảm bảo cho sự phục hồi tính hữu thụ. Phương pháp này dựa trên sự tính toán theo lý thuyết số cây phục hồi hữu thụ từ trong tổng số cây mỗi họ. Cách tính là, khi thụ phấn các cây bát thụ bàng hạt phấn của những dòng phục hồi dị hợp từ thì số cây hữu thụ so với tổng số cây trong mỗi họ là 1/2, trong trường hợp tính BTĐ là do 1 gen kiểm soát; là 1/4, trong trường hợp 2 gen ; và là 1/8 trong trường hợp 3 gen hay tổng quát là bằng (1/2)* khi cd X gen kiểm soát. Tỉ số giữa tổng sổ cây trong thế hệ con lai với số lượng cây hữu thụ là: — = 2’' • K ’ trong đó: K là số cây phục hồi hữu thụ; n: tổng số cây. Từ đd ta tỉm được x: _ Ign - IgK _ Ign - IgK " lg2 ~ 0,3010 Tĩí các kết quả thu được, các tác giả đi đến kết luận là có từ 2 - 5 gen kiểm soát sự phục hồi của tính hữu thụ. 2.3.2.3. BTDTBC dược gây tạo bằng hoá chất Dối với một số cây trông, việc sử dụng hiện tượng BTDTBC để sản xuất hạt lai rát tốn kém. Trong khi đó người ta có thể sử dụng một số hoá chất để làm hỏng hạt phấn (CHA) với giá thành rẻ hơn nhiều. Tuy nhiên, việc sử dụng CHA cđ một số hạn chế như sau : phải xác định chính xác thời điểm phun CHA trước khi hoa trổ; CHA gây ô nhiễm môi trường; cần phải cổ loại CHA có hiệu quả cao trong việc diệt giao tử đực mà lại ít ảnh hưởng đến giao tử cái. CHA được sử dụng cho mục đích này sớm nhất (cách đây khoảng 40 năm ) là maleic hydrazid . Gần đây, trong các qui trình sản xuất lúa lai hai dòng, các nhà khoa học Trung Quốc đa gừ dụng hai loại CHA sau đây ; CH 3As03Zn.H 20 (được gọi tát là MGI) và CH3As03Na^.6H20 (MGII) 2.3.3. Phương pháp sử dụng hiện tượng bất thụ dực trong chọn giống thực v ậ t Việc sử dụng hạt lai trong sản xuất đa đựơc áp dụng thành công ở nhiều loại cây trồng như, ngô, cao ludng, lúa, cà chua, cà rốt, hành, hướng dương, củ cải đường cũng như nhiều cây rau và cây cảnh. 2.3.3.1. Sừ dụng dạng bất thụ đực nhân (NMSj • Bâí thụ đực nhân do gen lặn kiểm soát Dạng bất thụ đực này khó có thể cho ra một quàn thể bất thụ đực đồng nhất ; vỉ thế nđ ít được sử dụng rộng răi trong chọn giống. Yang ( 1980) đề xuất việc sử dụng dạng bất thụ đực một phần do gen mẫn cảm với quang chu kỳ kiểm soát để sản xuất hạt lúa lai. Người ta cũng sử dụng một số hoá chất để phục hồi tạm thời tính hữu thụ của cây
30. 30 ƯU THẾ LAI VÀ ÚNG DỰNG CỬA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT bất thụ đực. Đổ là GA3 và một số hoá chất kich thích sinh trưởng (Pareddy, 1990). Các dạng bất thụ đực chức năng cũng được sử dụng trong việc sản xtiất hạt lai. ở cà chua, cổ một gen lặn gáy ra hiện tượng bao phấn khững mồ, mặc dầu hạt phấn vẩn hữu thụ bình thường. thế, quá trỉnh tự thụ phấn khống xảy ra. Bằng phưong pháp gầy đột biến nhân tạo có thể tạo ra loại NMS này. Nó dễ duy tii và đã được sử dụng trong sản xuát hạt lai ỗ ngổ, đậu Dưới đây, ta sẽ xem xét kỹ hơn vè việc sử dụng hiện tượng BTĐ nhân do gen lặn kiểm soát trong việc sản xuất lúa lai hai dòng. Các dạng EGMS Gàn đây, người ta đă phát hiện ra hiện tượng di truyền tính bát thụ đực do các gen lặn trong nhân kiểm soát mà hoạt động của chúng chịu ảnh hưởng của các yếu tố mổi trường, trong đđ đáng kể nhất là nhiệt độ và quang chu kỳ, gọi là kiểu di truỵèn bát thụ đục nhạy cảm với môi trường - EGMS (environmental genic male sterílity 3= EGMS). EGMS hai loại chính là TGMS và PGMS. Dạng TGMS ; ỏ cây lúa, từ giống Reimei lần đầu tiên Maruyama (1989) đa tlm ra hiện tượng BTĐ nhân nhạy cảm với nhiệt độ,viết tất là TGMS (thermo sensitive genic male sterility = TGMS). Về sau, nhiều dòng TGMS khác cũng đă được phát hiện ở cây lúa. Theo kết quả của nhiều nghiên cúu khác thl, tính trạng BTĐ Qày do một cặp gen lặn nằm trong nh&n kiểm soát và được ký hiệu chuDg ỉà tms. Theo Kinoahita (1997), thi đã có 3 gen tms được xác định. Đđ là : 1) Gentms-1 phát sinh nhờ đột biến tự nhièn, do Sun et al. (1989), Yang et al. (1992) và Wang et al. (1995; 1996) phát hiện ở giống lúa IR54. Gen này nằm trên nhiễm sác thế sổ 8 . 2) Gren tm8-2 do Maruyama (1991) gây tạo nhờ phương pháp gây đột biến bằng tia gamma ỏ giống ỉúa Reimei. Gen này chưa được 'đ ịn h vị. 3) Gen tms3 do Virma (1993) và Subudhi et aỉ. (1995) gây tạo ra nhờ phương pháp g&y đột biến bàng tia gamma ở giổng lúa IR32364. Gen này nầm trên nhiễm sấc thể số 6. Ngoài ra, gần đây Phạm Ngọc Lương (1999) và Lâm Quang Dụ (1999) đa xác định được các dòng lúa bất thụ đực TGMS-VNl và TGMS-VNOl ở các giống liia Việt Nam. B&ng vỉộc sử dụng một 8 Ố kỹ thuật 8 inh học phAn tử, như RFLP, AFLP, SSR Nguyễn Văn Đ&ng và c s (1999) đa định vị được gen tms từ dòng TGMS-VNl trên nhiễm sác thể sổ 2 và đặt tên là tm8-4(t). Độ hữu thụ của các dòng TGMS phụ thuộc vào nhiệt độ của mổi trưòng trong giai đoạn từ lúc hinh thỉmh tế bào mẹ hạt phấn cho đến lức xảy ra quá trình giảm phân (khoảng từ ngày thứ 18 - 12 trước khi lúa trổ). Thông thưòng, khi nhiệt độ khổng khí ở trong giới hạn 22 • 24°c thi hạt phin hữu thụ, còn khi nhiệt độ lên tới hơD 27°c thỉ hạt phấn trở nôn bất thụ. THiy nhiên, người ta cũng đa phát hiện ra dạng TGMS ngược, nghía là nđ hữu thụ ở nhiệt độ cao và bất thụ ở nhiệt độ thấp. Dạng PGMS : Cũng à cây lúa, tính di truyền BTD nhân nhạy cảm với quang chu kỳ (photoperíod sensitive male sterility = PGMS) đa được Yuan Long Ping phát hiện ra n&m 1973 từ giống lúa Nong Ken thuộc loài phụ ơaponica. Dòbg lúa này biểu hiện tính BTD trong điều kiện thời gian chiếu sáng lớn hơn 14 giờ/ ngày và hữu thụ khi thời gian đò nhô hơn 13 giò/ ngày. Cũng giống như dạng TGMS, người ta cũng đa phát hiện ra kiếu PGMS ngược, n ^ ĩa là nd hữu thụ trong điều kiện chiếu sáng dài và bất thụ trong điều kiện chiếu sáng ngấn. Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu sau này cho thấy là, nhiều dạng
31. co sỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC \ÌẬT 31 TGMS củng phụ thuộc vào quang chu kỳ và ngược lại nhiều dạng PGMS cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. TXiỳ vào mức độ phụ thuộc nhiều hay ít vào yếu tố nhiệt độ hay quang chu kỳ mà ta lại chia các dòng TGMS và PGMS thành dòng PTGMS (phụ thuộc vào quang chu kỳ nhiều hơn lả vào nhiệt độ) hay TPGMS (phụ thuộc vào nhiệt độ nhiều hơn là vào Sản xuất dòng bất thụ đực Sản xuất dòng phục hồi Gây biến nạp ở dòng A có gắn các gen Gây biến nạp ờ dòng B có các gen liên kết yên kết MsHr ( -* hữu thụ) RfHr "A" MsHr _ _ "B" MsHr _ _ Lai trở lạl vối dòng "A" (bất thụ * hữu Lai trỏr lại với dạng ”B” sao cho thu được thụ) sao cho ưiếhệ thu đirợc gần giống thế hộ gần gẳống với "B' ban đài. vối "A” ban đầu và nhăn lẽa Cho tự thụ phấn một số cây chọn lọc và nhân thế hệ cây đồng hợp tử về các gen Rfflr "A" MsHr - : A —- •BTưHrRTHrI 1:1 RưCWG SẢN XUẤT HẠT GIỐNG LAI Phun (Ml diệt eỏ â bậl bỏ cây A— hửu thụ Hình 2J, Sơ đo các bước sàn xuất hại giổng iai dựa trên việc gin gen Ms trậi trong nhân với gen trội kháng chất diệt cồ (Hr); R f: gen phục hdi hữu thụ .
32. 32 ƯU THẾ LAI VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT quang chu kỳ). Do đậc điểm của điều kiện khí hậu mà ở nước ta khững thể sử dụng được dạng PGMS trong sản xuất ỉúa lai hai dòng; vi ngày 22/6 hàng năm được coi là ngày có thời gian chiếu sáng dài nhất thi cũng chưa đạt tới 14 giờ/ ngày. Còn nếu sử dụng các dòng TGMS thi ta có thể bố trí sản xuất hạt lai vào mùa hè khi nhiệt độ lớn hơn 27°c (tù 25/5 đến 25/8) và nhân hạt dòng TGMS vào mùa thu (sau 25/ 9) hoặc mùa xuân ( từ 10 - 30/4) khi nhiệt độ khống khí vào khoảng 23 - 24°c. 0 Bất thụ đực nhân do gen trội kiểm soát Hiện tượng BTD nhân ( NMS) do gen trội kiểm soát đã được phát hiện ở một số loài cây như cà rốt, bông, lúa mỉ, cải dầu tính bát thụ đực do gen trội kiểm soát nên nd khổng được sử dụng để sản xuất hạt lai. Tuy nhiên, gần đây các nhà khoa học ở Bi và Mỹ đâ thành công trong việc sử dụng kiểu bất thụ đực này ỏ cây thuốc lá và cả; dầu như sau : Cây NMS trội đựơc biến nạp bằng một gen khảm, gồm một gen đặc biệt từ tế bào tầng nuôi của bao phấn (TA29) và một gen tổng hợp ribonuclease (RNase) ■ gen khảm này khi hoạt động sẽ phá huỷ tầng nuôi bao phẵn làm cho cây trở nên bất thu đực trong khi giao tử cái vẫn hữu thụ bình thường. Ngoài ra, việc gắn gen TA29 - RNaae với một gen trội kháng chất diệt cỏ cho phép ta có thể dùng chất diệt cỏ tương ứng đè’ tạo ra một quần thể cây bất thụ đực (Mariani, 1992). Dồng thời, cũng đã xác định đươc là, gen phục hồi (Rí) - barstar - ức chế hiệu quả của gen RNase. Diều này cho phép sử iụng hệ'thống NMS trội để sản xuất hạt lai như ở hình 2.1. Một sơ đồ khác do Ânonymous và Cutler (1991) đề xuất cũng cho phép sử dụcg hệ thổng NMS trội nhờ kỹ thuật biến nạp gen. Sơ đồ này cho phép tạo ra các cây có hạt phân tự phân giải khi cần thiết. Muốn vậy, cây NMS trội sẽ được biến nạp bàng gen khảm mang 1 promotor đặc biệt của hạt phấn (LAT59) và gen fms2 co' khả năng chuyển hoá indoleacetamid (lAM) thành indole acetic acid (lAA). Nếu hộ thống này hoạt động thi khi những cây mang các gen khảm LÂT59- fms2 bị phun chất lAM, gen fms2 sẽ chuyển hoá lAM thành lAA để giết hật phấii và vỉ thế câý trở thành băt thụ đực, Sơ đồ nàj cho phép giải quyết được hai vấn đề : loại bỏ hạt phân hữu thụ và phục hồi tỉnh hữu thụ ở Fj. Tuy nhiên, nổ cũng cố mặt hạn chế giống như khi ta dùng các CHA khác như đỉ nói ở trên. 2.3.S.2. Sử dạng dạng bất thụ đực tẽ bào chất Bất thụ đực tế bào chất là hệ thổng bất thụ đực quan trọng nhất được sử dụng trong việc sản xuất hạt lai. Muốn sản xuất hạt lai trên cơ sở sử dụng hiện tượng BTDTBC ta phải có các dòng bất thụ đực (A), dòng duy trì tính bất thụ (B) và dòng phục hồi tính hữu thụ (R). • Dòng duy trì ữỉ)rfrf : Muốn sử dụng BTĐTBC trong chọn giống lai, cần phả: tim được hoặc tạo ra được các kiểu gen duy trì tính bất thụ đực và sau đó chuyển nhân của chúng vào tế bào chất bất thụ bằng phương pháp lai trở lại. Dể xác định kiểu geE của dạng duy trì phải lai thử từng cây của nó với cây BTDTBC và phân loại hậu thế thu được theo mức bất thụ đực . Nếu 100% cây ở hậu thế là bất thụ thì cây đđ có kiểu ger. của dạng duy trì. Kiểu gen của cây duy trì được bảo tồn nhờ sự tự thụ phấn.
33. c o s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THựC VẬT 33 • Dòng BTDTBC tương dương iSjrfrf : Khi một dòng duy trì (B) được lai với một dòng BTDTBC (A) và sau đó con lai được lai trở lại một số lân với (B) thì ta sẽ nhận được m ôt dòng BTDTBC tương đương. Nghĩa là, dòng BTDTBC tương đương sẽ ctí hệ gen nhân gàn như dòng (B) nhưng lai mang hệ gen ở cơ quan tử của dòng (A). • Dòng phục hồi (N)RfRf hay (N)Rfrf: Đối với những cây lấy hạt như lúa, cao lương, hướng dương thì cây cho phấn cần ở trạng thái đòng hợp tử vê gen phục hồi để đảm bảo sản lượng hạt cao ở con lai F|. Cũng giống như đối với dạng duy trì, các dạng phục hồi (R) càn làm thử vối cây BTĐTBC và phân loại hậu thế theo tính hữu thụ hạt phấn Dưới đây ta hãy xem xét các sơ đồ vê mặt nguyên tác trong việc sử dụng hiện tượng BTDTBC đê’ tạo ra các dạng lai đơn và lai kép ở cây ngô. Tạo ngô lai don : s.rfrf X N.RfRf (hoặc N.Rfrf) S.Rfrf (hữu thụ) Tạo ngô lai kép : s.rfrf X N.rfrf s.rfrf X N,RfRf ị i s.rfrf X S,Rfrf ị lS.Rfrf : is.rfrf Càn chú ý rằng, mặc dằu chỉ có khoảng 1/ 2 số cây ngô lai có hạt phấn hữu thụ, nhưng vỉ lượng phấn ở mỗi cây là rất lớn nên nó vẫn đảm bảo cho toàn bộ cây trên ruộng được thụ phấn. Tuy nhiên, nếu như ta sử dụng được cả hai kiều BTDTBC "T" và "M" thỉ việc tạo ngô lai kép từ 4 dòng A, B, c, D như sơ đồ dưới đây, sẽ là hoàn thiện nhất: A X B c X D bt "M" dt"M" bt "T", ph "M" ph "T" và "M" 1 i (A.B) X (C.D) bt "M" ph "M" i (A.BXC.D) ph toàn bộ Gà.n đây, việc sử dụng hiện tượng BTDTBC vào quá trinh sản xuất lúa lai 3 dòng ở một số nước Châu Á, như Trung Quốc, Việt Nam, Ấn Dộ, Philippin đă tạo ra một bước đột phả lớn về năng suất và sản lượng ờ câv lương thực quan trọng đứng hàng thứ hai thế giớii này, sau lúa mì. Trung Quốc bắt đầu nghiên cứu vấn đê này từ nàm 1964 và đến 10 nảitn sau thl niôt qui trình sản xuất lúa lai 3 dòng đã được đưa vào sản xuất. Năm 1976 diiện tích trồng lúa lai 3 dòng ờ Trung Quốc là 140.000 ha. Nhưng đến 1994 thì diện tích ấy đã là 18 triệu ha, năng suất bình quân cao hơn lúa thuàn khoảng 20-30%.
34. 34 ƯU THẾ LAI VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT ở Việt Nam, lúa lai được nghiên cứu từ 1980. Một sổ tổ hợp lúa lai từ Trung Quốc đă được nhập vào Việt Nam từ năm 1990. Đến năm 1997 diện tích trồng lúa lai ở Việt Nam là trên 100.000 ha và dự kiến sẽ đạt khoảng 500.000 ha vào năm 2000. Lúa lai 3 dòng khống những cổ năng suẩt cao mà còn có phẩm chất tốt, khả năng thích ứng cao và cd thời gian sinh trưởng ngán. Nhưng nó cũng cđ một số nhược điểm như : tỉ lệ các dòng đạt yêu cầu trong chọn giống, nhẵt là dòng duy trì bất thụ, là rất thấp; phạm vi lai ở các tổ hợp ba dòng rất hẹp ( chi trong phạm vi loài phụ); quá trinh duy trì dòng BTĐ và sản xuất hạt lai Fj khá nghiêm ngặt, cồng kềnh và phức tạp; dễ bị dịch bệnh và năng suất hiện nay đă kịch trần, vỉ thế, hiện nay ở Trung Quốc củng như ở Việt Nam đang ctí xu hướng thay thế lúa lai 3 dòng bằng lúa lai 2 dòng. So với lúa lai 3 dòng, thì việc sản xuất lúa lai 2 dòng cd tính ưu việt hơn ở những điểm sau: qui trình đơn giản hơn (vì không cần đến dòng duy trỉ bất thụ); giá thành hạt giống rẻ hơn ; phạm vi lai giữa các dạng bố mẹ rộng hơn. Mặc dầu vậy, nó vẫn cđ một số hạn chế sau đây : quá trình sản xuất phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ và quang chu kỳ nên dễ bị rủi ro do thời tiết; các qui trình cách ly phải được thực hiện nghiêm ngặt; hạt giống lai có độ thuìln không cao nên dễ ảnh hưỏng xấu đến năng suất. Ntíi chung, chọn giống ưu thế lai dựa trên trên cơ sở BTĐTBC thường cd giá thành cao và khổ khản do các nguyên nhân sau đây : 1) Khtí có thể phân lập được các dòng duy trì hoặc phục hồi tốt. 2) Khả năng duy tri tính bất thụ đực và phục hồi tính hữu thụ nhiều khi phụ thuộc vào đièu kiện môi trường, như nhiệt độ, quang chu kỳ hoặc vào cấu trúc di truyền chung của cơ thể (hành, lúa mạch, cải dầu, ). 3) Có sự liên kết giữa BTĐTBC với một số tính trạng không tốt khác, như thiếu hụt diệp lục ở điều kiện nhiệt độ thấp, cấu trúc dị hình của hoa (ở cây cải dầu), hoặc sự mẫn cảm với một sổ bệnh (ở ngô). 4) TVong một số trường hợp, việc sản xuất hạt giống lai bị hạn chế do hinh thái của hoa hoặc sự phát tán của hạt phấn (như ở lúa mạch, lúa mi, cây họ đậu, ). 2.4. Cơ S ỏ LÝ LUẬN DI TRUYÈN HỌC CỬA ư u THẾ LAI VÀ VẤN ĐẾ DUY TRÌ NÓ Ò CÁC THẾ HỆ SAU 2.4.1. Bản chẩt di truyền cửa ưu thế lai Như đẫ ndi, hiện tượng ưu thế lai đă được biết từ lâu, ngay từ thời Koelreuter (1760), nhưng việc nghiên cứu về bản chất của nd thỉ còn ít. Vấn đề lý luận của nó chỉ được bắt đầu chứ ý từ những nâm đầu thế kỷ XX, khi xuất hiện nhữĩig công trinh thực nghiệm nhằm giải thích hiện tượng này của Shull (1911), East và HayiỉS (1913). Hiện nay cd nhiều giả thuyết dựa trên những cơ sở lý luận của di truyền học để giải thích hiện tượng ưu thế lai. Dưới đây giới thiệu ba loại giả thuyết được nhiều người chú ỷ, đặc biệt là hai ioại giả thuyết đàu. 2,4.LL Giả thuyết về tâc dụng tương hỗ giữa các gen trội hay còn gọi là gid thuyếí tính írội Giả thuyết này cho ràng, ưu thế lai là kết quả của sự tác động tương hỗ giữa nhiều gen trội cd lợi cho sự sinh trưởng. Các tính trạng có lợi cho sự sinh trưởng của cơ thể do nhiều gen trội kiểm soát, còn các gen lận tương ứng với chúng thì cố tác dụng ngược lại.
35. c o s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THựC VẬT 35 Quá trỉnh tự phối dản đốn sự dồng hợp hoá cửa hai loại gen này. Sự <fòng hợp hoá của các gen lặn dẫn đến sự suy thoái của sức sinh trưởng. Song, giữa các gen trội và gen lặn vẫn có hiện tượng liẽn kốt nhất định. Trong một dòng tự phối khổng chi tích luỹ hoàn toàn các gen trội ctí lợi. Kiểu gen của các dòng tụ phối khác nhau sẽ khổng giống nhau. Khi đem giao phổi chúng với nhau, thỉ trong con lai ở nhiều vị trí gen, các gen trội sẽ che lấp các gen lặn, 8 Ó vị trí gen có chứa gen trội sẽ tảng lên. Do vậy mà xuất hiện hiộn tượng ưu thế lai, đồng thời lại xuất hiện tính dbng đều ở con lai Fj. Dưới đ&y nêu một ví dụ giả thiết: Có 2 dòng tự phối, giao phổi với nhau. Trong cáu trúc di truyền của mỗi dòng, giả sử ctí 5 vỊ trí gen khác nhau, cfòng thời chl cd một kiểu liên kết: aBCdE AbCDe Dòng tự phối (1) X dòng tự phối (2) AbCDe i aBCdE 1 AbCDe Căn cứ vào giả thuyết này, sức sinh trưỏng của con lai Fj là do kết quả tương tác giữa các gen trội. Các con lai ở Fj đều có kiểu gen như nhau. Bởi vậy, chúng cổ Bự.đồng đều về mật hỉnh thái. Dòng tự phổi 1 nguyên chl ctí 3 vị trí chứa gen trội, dòng tự phổi 2 cũng vậy. Cả hai dòng ngoài vị trí c ra, thi đều khổng giống nhau. Song à con lai thi có đến 5 vị trí gen chứa gen trội. Còn các gen lặn khống cđ lợi thỉ khống cổ đỉSu kiện phát huy tác dụng. Ngoài ra, sự dbng hợp hoá vồ mặt kiểu gen do quá trình tự phổi gfty ra có thể giải thích được sự suy hoá của các dòng tự phối. Trong thực tố chọng giống, bao giờ người ta cũng hướng vào chỗ tạo ra những kiểu gen chứa nhiều gen trội nhất. THỉy nhiên, khó mà ctí thể tạo ra được những kiểu gen chỉ chứa toàn gen trội d trạng thái đỒĐg hạp tỏ ẢẢ BB cc ĐD ẼẼ. Ngày nay ta biết ràng, trong trường hợp có nhiều gen ảnh hưdng đến sức sổng của con laỉ thi khả n&ng thu nhận những ca thể như vậy là rát nhỏ (s 6 cá thể đồng hợp tử chứa cả n gen trội sau 1 th ế hệ tự thụ phấn của cơ thể chứa n cặp gen dị hợp tử là; ^ Ậ ~ 2^ 4« Vì thế, trong tự nhiên vẫn tồn tại các gen lặn, mậc dầu chúng luữn luổn bị đào thải do quá trinh chọn lọc tự nhiỗn; và hơn nữa, giữa ồác gen trội và gen lặn lại cố một sự liẽn kít nhất định. Dùng giả thuyết này ta cđ tbể giải thích được hiện tượng thoái hoá của con lai sau Fj. Đổ là do kiểu gen d ở trạng thái dị hợp tử của Fj qua quá trình tự phổi hay giao phối với các dạng khác sẽ phAn ly răt mạnh, tính (fòng đSu và sản lượng gỉ&m sứt. Lăy một ví dụ đơn giản như sau: Cd một dòng tự phối ở dạng đồng hợp tử chứa 1 cặp gen lận, kiểu gen là aaBB và một dòng khác có kiểu gen là AAbb. Khi cho hai dòng này giao phối với nhau, ta cd con lai Fj là AaBb. Cho Fj tự thụ phấn ta có F 2- Theo qui luật phân ly của Mendel thl ở F 2 sổ cá thể chứa cả 2 gen trội chỉ chiếm 9/16. Vì thế khống phải tất cả các cá thể ở F 2 đều
36. 36 ƯU THẾ LAI VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT ctí ưu thế lai. Tối Pị , thì số cá thể dị hợp tử sẽ giảm dần, số dạng đồng hợp tử tãnịỊ dần. Kết quả là sau Fj ưu thế lai giảm sút. Bởi vậy, cho đến nay chưa có cách để duy trì được ưu thế lai ở các thế hệ sau F|, mà hàng năm người ta đêu phải tạo ra con lai Fj để sử dụng trong thực tiễn. Về mật lý thuyết, hiệu quả ưu thế lai còn chịu ảnh hưởng của mối tương tác giữa các gen trội khống alen- với nhau. Hiệu quả này giữ một vai trò quan trọng trong ưu thế lai và có liên quan đến khả năng kết hợp riêng của các dòng bố mẹ ban đầu. Thuyết tính trội mậc dầu có một sự phổ cập rộng râi nhưng nó còn bị hạn chế trong khi giải thích một vài trường hợp. Thực nghiệm ở ngô cho thấy là, sự tương ứng giữa sức sống của các dòng tự phối với số lượng các gen trội và khả năng kết hợp giữa các dòng tự phối lại không phù hợp với thuyết tính trội. Nhiều sự kiện cho phép đi đến kết luận là, các gen lặn không mang tính chất có hại mà chi có hại khi chúng ở trạng thái đồng hợp tử. Di truyền học quân thê’ xác nhận rằng, tính bão hoà của các quần thể tự nhiên bằng các gen không có lợi ở trạng thái đồng hợp tử hoàn toàn không làm giảm ý nghỉa sinh học của các gen lặn trong việc duy trỉ mức độ thích nghi cao của các quàn thể này. Hoàn toàn có cơ sở nói ràng, các gen lặn không có lợi, thậm chí là các gen gây chết ở trạng thái đồng hợp là một bộ phận cần thiết cho các kiểu gen của những quần thể thích nghi giỏi và chúng được duy tri một cách tích cực và thích hợp qua quá trỉnh chọn lọc tự nhiẽn. Những công trình nghiên cứu ở ngô và lúa mạch của Vudvort và Turbin chứng tỏ rằng, sự loại bỏ những gen lặn-ở trạng thái <fcng hợp đă khống cho tháy cd một ảnh hưởng tích cực nào. Những dạng thu đưọc bằng con đường như vậy cd sản lượng khống khác so với những dạng ban đàu và cững không thấy co' sự phụ thuộc giữa sản lượng với tần số bắt gặp của những tính trạng lận. Thực ra, khi xem xét một cách khách quan thì quan niệm về các gen trội có lợi không phải chi là một giả thuyết mà là sự tập hợp của ít nhát của ba giả thuyết về hoạt động của các gen trội. Dổ là: tương tác trội - lận trong mỗi locut; tác dụng tích luỹ giữa các gen trội; và tương tác giữa các gen trội khống alen với nhau. Giả thuyết về tính trội do Jones chủ tniớng và đề xướng ra nâm 1917. T\iy nhỉẻa những ý kiến đầu tiên đưa ra sự xác nhận về tác dụng bổ sung của các gen trội cd lợi đối với hiện tượng ưu thế lai, lại ỉà của Bruce, Keeble và Pellen (1910) rút ra từ trong những công trinh thực nghiệm ở đậu Hà Lan. 2.4.1.2. Gừt thuyết vê tính siêu trội Do việc giả thuyết về tính trội gặp khd khản trong khi giải thích một sổ trường hạp về ưu thế lai, mà sau này giả thuyết tính siêu trội ra dời đ& thu hút được sự chú ý của nhiều người. Theo giả thuỵết này thì, chính bản th&n tính dị hợp tử là nguyên nh&n quan trọng của hiện tượng ưu thế lai. VI vậy, người ta còn gọi đây ỉà giả thuyết về tính dị hợp tử. Cơ sở của giả thuyết này là quan niệm cho rỉừig, trong một sổ sự kết hợp, mối tác động tương hỗ giữa hai alen trong một locut cđ thể dẫn đến chỗ là, thể dị hợp tử Aa cđ sức mạnh vượt qua cả hai thể dòng hợp tử AA và aa. Nhiều thực nghiệm về đột biến thực nghiệm ở lúa mi và lúa mạch đã xác nhận điều này. Người ta giả thiết rằng, ở trạng thái dị hợp tử, thì 2 alen hoàn thành một số chức
37. c o s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THựC VẬT 37 năng khác nhau và bổ sung cho nhau. Bài vậy, khi có hiện tượng đa alen thỉ tính siêu trội chi xuất hiện ở những cặp alen rất khác nhau. Trong trường hợp siêu trội, Iigười ta nói đến mối tương tác giữa các alen trong giói hạn một locut. Mổi locut không phải chỉ cổ hai trạng thái trội và lặn mà còn có thế phân thành nhiều trạng thái trung gian nữa, khác nhau về cấu trúc và chức năng sinh lý. Ví dụ: 1 dòng tự phối có kiểu gen ajEj giao phối với một dòng tự phối khác có kiểu gen a. 2 ^ ^1 sẽ có trạng thái dị hợp tử ajE 2. Do giữa 3j và 02 phát sinh tác dụng lẫn nhau mà mỗi sản phẩm do con lai tạo ra đều có hiệu quả cao hơn trạng thái đồng hợp tử ajHj và SÌ2 ^ 2 hiện tượng ưu thế lai. ở đây giữa 3j và a2 không có quan hệ trội - lặn mà ngược lại tác dụng bổ sung giữa chúng sẽ vượt qua hiệu ứng của tính trội - tức là tính siêu trội. Giả thuyết tính siêu trội là sự phát triển những quan niệm về tác dụng kích thích của tính dị hợp tử mà Shull và East đã nêu lên hơn 70 năm về trước. Khi mà Shull và East nêu ra sự giải thích này thì còn chưa có những sự kiện thực nghiệm chúng minh. Vỉ vậy, trong một thời gian dài nó không được thừa nhận. Sau này chỉnh East là người đâ phát triển giả thuyết này và các dẫn liệu thực nghiệm của nhiều nhà nghiên cứu khác đã xác nhận sự đúng đắn của nó. Hiện tượng ưu thế lai của con lai kép giữa dòng ở ngô là một bằng chứng quan trọng chứng minh sự đúng đắn của giả thuyết tính siêu trội. Những con lai kép như vậy thu được bàng sự giao phối giữa 4 dòng ngô tự phôi không có quan hệ họ hàng với nhau. Nếu như hiện tượng ưu thế lai của các con lai đơn giữa dòng được dùng làm bố mẹ cho con lai kép mà có thể giải thích bằng sự che phủ tác dụng cđ hại của các gen lặn bỏi các gen trội tương ứng theo như giả thuyết tính trội, thì khi đem giao phối các con lai đơn với nhau do kết quả của sự phân ly và tái tổ hợp của các gen mà có thể hình thành nên một số rát lớn những cây (fông hợp tử lận. VI vậy, con lai kóp sẽ luôn luôn cd sức sống thua kém con lai đơn. Song, thực ra sức sống của con lai kép ở ngô lại không thua những con lai đơn tốt nhất. Diều này phù hợp vởi giả thuyết tính siêu trội. Khi mỗi locut có nhiều alen thl con lai kép có thể chỉ là những dạng dị hợp tử như là các con lai đơn. Chảng hạn khi đem lai (Aj X A^) X (A3 X A^) §ễ hình thành nên 4 kiểu gen AjẠj, AjA^, A2A3, A2A4. Mỗi kiểu gen ấy có thể chi là những dạng dị hợp tử như là những con lai đơn ban đầu. Như ta biết, bằng con đường kết hợp giữa 4 dòng tự phối trong cùng một thứ thl khổng thể thu được con lai kép giữa dòng cd sức sống cao. Muổn vậy phải lấy các dòng tự phối không có quan hệ thân thuộc từ những thứ khác nhau và có những alen khác nhau trong phần lớn các locut. Chính tính không thân thuộc ấy giữa các dòng tự phổi cho phép ta thu nhận được những con lai kép có tính dị hợp tử giống như con lai đơn. Mặc dàu thuyết siêu trội đả được một số công trình thực nghiệm chứng minh, song quan niệm về mối phụ thuộc của sức sống ở con lai vào tính dị hợp tử vẫn còn được nhiều người tranh luận Một số dẫn liệu thực nghiệm đã được đưa ra nhằm đổi lập lại giả thuyết này. Người ta thấy rằng, ở cây tự thụ phấn các con lai ctí ưu thế lai không phải luôn luôn hơn hẳn các dạng bổ mẹ đông hợp tử về mật sức sống và tính ổn định trong phát dục. VI vậy, ở những dạng cây tự thụ phấn, nếu chỉ có dựa vào tính dị hợp tử khồng thôi, thì rất khó phân biệt được ảnh hưởng của tính siêu trội với hiệu quả tương tác giữa các gen không alen. Trong các công trình về lai dialen giữa các dòng tự phối, người ta tháy rằng hiện tượng siêu trội sẽ không xảy ra khi thiếu mật sự tương tác giữa các gen
38. 38 Uu THỂ LAI VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GIỐNG THựC VẬT khống alen. Hơn nữa, khi mối tương tác ấy giảm đi thì hiện tượng siêu trội cũng giảm sút (bằng phương pháp phân tích toán học, người ta phân biệt được hai loại hiệu quả này). Tbm lại, thuyết dị hợp tử đă vạch ra được ý nghỉa quan trọng của tính dị chát đổi với sự xuất hiện sức mạnh của con lai. Tính dị chất ấy được hình thành do kết quả của trạng thái dị hợp tử ở nhiều locut. Hiệu quả ưu thế lai cao sẽ xuát hiện khi giữa các alen của mỗi locut có sự khác nhau về mật chức năng. Sẽ không đúng, nếu cho rằng sự khác nhau giữa giả thuyết tính trội và tính siêu trội chỉ giới hạn ở đặc tính về mối tương tác giữa các gen alen và không alen. Diểm khác nhau lớn hơn là ở chỗ, thuyết siêu trội đem lại một ý nghỉa cơ bản cho sự hiện diện của các locut dị hợp tử, còn ở thuyết tính trội thì đó là mổi tác động giữa các gen trội cd lợi. Thuyết siêu trội mặc dù giải thích được nhiều trường hợp của ưu thế lai một cách rõ ràng, song nó không loại trừ được tất cả tính chất phức tạp của vấn đề. Dặc biệt, đến nay người ta đã tích luỹ được nhiều dẫn liệu trong việc tìm hiểu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh đến ưu thế lai. Những con lai có sức sống và sản lượng cao chỉ xuất hiện trong những điều kiện khí hậu và thổ nhưỡng nhất định. Ngoài ra, những đặc tính về tế bào chất của các dạng đem lai củng có ảnh hưởng lớn đến ưu thế lai. Sự khác nhau về súc sống của con lai trong lai thuận nghịch đã chứng tồ điều đó. Giả thuyết về tính dị hợp tử về sau được Emerson (1948; 1952) và Rendel (1953) phát triển theo một hướng khác và gọi là thuyết về cân bằng sinh lý. Emerson phát hiện ra rằng, ở nấm Neurospora, trạng thái dị nhân (heterocarion) - trong một tế bào chứa hai nhân khác nhau, nhờ quá trỉnh tiếp hợp giữa hai sợi nấm khác nhau - đạt tới trạng thái cân bầng khiến cho sức sống của nó bao giờ cũng cao hơn dạng đồng nhãn. Các tác giả của giả thuyết này cho ràng, hai thể đòng hợp tử chứa những cặp alen giống nhau thì ít cố lợi cho sự phát triển tối thích của cơ thể hơn là thể dị hợp tử. Rendel cho cơ sở của hiện tượng này là do mối tương tác giữa các sản phẩm được hình thành do hoạt động cụa cặc gẹn, mà chúng chính là những chất sinh trưởng. Ví dụ, thể dị hợp tử của hai dạng nấm đột biến ố Neuroapora - một dạng cd khả n&ng tổng hợp axit nicotinic, dạng kia có khả năng tổng hợp axit pantothenic - ctí thể sống được trong môi trường thiếu cả hai loại axit này. 2.4.1.3. Thuyết căn bằng di truỳên Thuyết cân bằng di truyền, mà người đề xướng là Turbin (1962, 1971), được coi là một giả thuyết có khả năng liên kết được các luận điểm trong việc giải thích hiện tượng ưu thế lai. Thuyết này cho rằng ưu thế lai là một hiện tượng về tính ưu thế của con lai đối với mức độ phát dục của tính trạng này hay tính trạng khác so với bố mẹ. Múc độ biểu hỉộn của tính trạng, tức kết quả của sự phát dục là đặc trưng cho quá trinh này vS mặt số lượng. Sự sai lệch trong quá trình phát dục của con lai so với bố mẹ có thể theo hướng tăng lên hoặc giảm đi (ưu thế lai dương hoậc âm). Thông thường ta chi ndi đến ưu thế lai dương là do ý nghĩa thực tiễn của nó. Thuyết cân bằng di truyền đậc biệt chú ý đến quan điểm giải thích cơ chố điều hoà di truyền sự phát dục của các tính trạng và làm sáng tỏ mối quan hệ nhân quả giữa các
39. c o s ỏ DI TRUYỀN CHỌN GlốNG THựC VẬT 39 nhân tố di truyền với các tính trạng được kiểm soát. Theo quan niệm này, sự phát dục của mỗi tính trạng được xác định bằng ảnh hường tương ứng của nhiều nhân tố di truyền khác nhau về đặc trưng tác dụng. Trong trường hợp đơiỊ giản nhất thl trong số chúng cđ một số gây ra tác dụng kích thích tức là làm tăng cường các tính trạng, một số khác lại gây ra tác dụng theo hướng ngược lại. Sự biểu hiện của mỗi tính trạng như là kết quả về sự cân bàng tác dụng giữa các xu hướng đối lập. Tính hoạt động của các yếu tố di truyền - tức là hiệu quả kiểu hình của mỗi yếu tố, được xác định không chỉ bàng hoạt động ban đàu của nd mà là sự cân bầng mối tác động của nd với các nhân tổ khác. Bởi vậy, mối liên hệ giữa các nhân tổ di truyền và các tính trạng được xác định bàng trạng thái của hệ thống di truyền nđi chung. Trong cơ thể sống, sự trao đổi chất được thực hiện nhờ sự diễn ra của các quá trình sình hoá. Các quá trình này được điều hoà nhờ sự tác động đồng thời và cân bằng của các hệ thống en 2ym. Và chính các hệ enzym này lại được các gen và những yếu tố cố ý nghía di truyền trong tế bào chất kiểm soát. Hay nói khác đi, toàn bộ hoạt động sống của cơ thể chịu sự kiểm soát của những nhân tố di truyền và trạng thái cân bằng của chúng. Mỗi cơ thể cd một trạng thái cân bàng di truyền nhất định đảm bảo cho sự hình thành một kiểu hỉnh nhất định thích ứng với điều kiện sống. Sự phụ thuộc giữa biểu hiện của tính trạng vào trạng thái cân bàng di truyền được thấy rát rõ ở các nghiên cứu về sự bất binh thường trong quá trình phát dục của các cơ thể cd biến dị về số lượng nhiễm sác thể. Ví dụ, các thể lệch bội như trisomic, tetrasomic cd kiểu hình rất khác so với các dạng lưỡng bội, tam bội, tứ bội Việc thêm vào hay mất đi một hoặc một số nhiễm sác thể nào đó đều có ảnh hưởng đến kiểu hinh lớn hơn so với trường hợp mất hoặc thêm vào đó những bộ nhiễm sác thể nguyên vẹn, tức là những bộ gen cân bằng vẽ mặt di truyền. Quay lại hiện tượng ưu thế lai, ta tháy ràng, khi muốn giải thích tác động của các nhân tố di truyền gây ra sự phát dục của các tính trạng mà ở cơ thể lai biểu hiện rỗ rệt hơn so vói các dạng bổ mẹ thỉ phải thừa nhận ràng đó là một trong những hậu quả của sự cân bằng di truyền đâ bị thay đổi ở cơ thể lai. Sự mất cân bằng về mặt di truyền này cđ thể thay đổi từ trường hợp ctí những biến đổi nhỏ về mặt số lượng của một số tính trạng hay mức độ phát dục của chúng đến trường hợp gây ra những hậu quả cđ hại biểu hiện ở sự mất sức sống và sinh ra những giao tử bất thụ. Trường hợp đầu xảy ra khi đem giao phối giữa các dòng tự phổi trong các thứ khác nhau - tức là cd quan hệ thân thuộc không xa nhau lám. Trạng thái cân bằng mới cd thể là nguyên nhân làm tâng hay giảm đi sự phát dỊic của một số tính trạng. Khi cd sự hình thành một trạng thái cân bằng di truyền mới tốt hơn, thì ở chúng sẽ xuất hiện những tính trạng mới và cđ thể đtí là những tính trạng tốt hơn so với bố mẹ. Đó là lúc con lai cổ ưu thế lai cao. Trường hợp sau xảy ra khi đem giao phổi giữa những cơ -thể có những trạng thái cân bằng di truyền rất khác nhau, đến mức độ rất khó hoặc không thể dung hoà lản nhau; ví dụ, như ở trường hợp lai xa hay dị đa bội. Sau khi xét ba già thuyết trên ta tháy rằng, những phân tích về mật lý luận di truyền học của hiện tượng ưu thế lai chứng tỏ tính chất phức tạp và mối liên quan nhiều
40. 40 ƯU THẾ LAI VÀ ÚNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CHỌN GỔNG THựC VẬT mặt của nó với những vấn đề khác của di truyền học. Rỗ ràng là, những giả thuyết đă xét ở trên không bài trừ lẫn nhau mà ngược lại bổ sung cho nhau. Cho đến nay, vẫn chưa cố một giả thuyết nào chúng tỏ rằng nó được thừa nhận làm lý luận chung cho hiện tượng ưu thế lai. Tuy nhiên hai giả thuyết đầu khá phù hợp với nhiều sự kiện thực tế và chứa đựng nhiều yếu tổ kiến thức chính xác. 2.4.2. Vấn dề duy trì lỉu thế lai ở các thế hệ sau Phương pháp tạo ra con lai giữa các dòng, cổ ưu thế lai cao đă được hoàn thiện. Song vấn đề phức tạp và khd khản hơn vẫn chưa được giải quyết là việc củng cố và duy trỉ hiện tượng ấy ở các thế hệ tiếp theo. Như trên đâ thấy, ưu thế lai phụ thuộc vào sự tương tác giữa các gen và việc duy trì ưu thế lai qua các thế hệ không những là một khả năng rất nhỏ bé mà với mục đích nhằm thu nhận các thế hệ sau bằng con đường hữu tính thi hoàn toàn không có khả năng (do sự phân ly và tái tổ hợp). Việc phân tích những cơ sở lý luận của hiện tượng ưu thế lai cho thấy, vấn đề duy tri ưu thế lai chỉ cổ thể thực hiện được bàng cách tạo ra một hệ thống di truyền đảm bảo được việc truyền một cách ổn định kiểu gen dị hợp tử cho những thế hệ sau. Xuất phát từ bản chất của hiện tượng ưu thế lai, cđ thể hy vọng ràng bằng con đường tạo ra những dị hợp tử có cấu trúc cân bằng từ những dạng tự đa bội, cũng như việc kết hợp ưu thế lai với phương thức sinh sản sinh dưỡng mà duy trỉ được hiện tượng ưu thế lai. 2.4.2.1. Duy trì ưu thẽ lai bằng con đuờng tạo thể song nhị bội ( thể dị tứ bội ) Vấn đề cần phải giải quyết là tạo ra những dạng dị đa bội nhãn tạo từ những dạng tự đa bội. Randolph (1941) và Miriut (1948) là những người đầu tiên nghiên cứu và đề xướng việc sử dụng hiện tượng này trong vấn đè duy tri ưu thế lai. Miriut đã nghiên cứu các dòng thuần là những dạng lạc tự tú bội (40 nhiễm sác thể) cd nguồn gốc khác nhau, nhưng thuộc cùng một loài. Con lai thu được do giao phổi giữa các dòng thuần này tỏ ra ổn định. Sự kiện này cho phép Miriut giả định ràng, ở những dòng lạc lai này đã tồn tại một trạng thái dị hợp tử ổn định, dựa trên sự tiếp hợp tốt nhẩt giữa các nhiễm sắc thể ctí những gen khác ngu&n gổc và sự phân ly của các nhiễm sác thể chứa những gen cùng nguồn gốc đi về một cực trong quá trình giảm phàn. Giả thuyết của Miriut về tính dị hợp tử ổn định ở lạc trong một thời gian bị coi là khổng cổ cơ sở. Song về sau, nổ đã được xác nhận bằng những nghiên cứu khác. Tuy nhiên sơ đồ về sự di truyền và việc duy tri ưu thố lai ở thể đa bội dựa trên cơ sở của sự tiếp hợp và phân ly tổt nhất của nhiễm sác thể không phải do Randolph và Mirỉut đỄ ra hoàn toàn. Vấn đ% này về sau đã được Dubinin và Secbacov bổ sung nhiều. Những nghiên cứu về việc tạo ra các dạng dị tứ bội từ những dạng tự tứ bội thuộc cùng một loài ở cây lúa của Lương Đỉnh Của (1952) đâ xác nhận thêm sự đúng đán của giả thuyết này. ỏ dạng con lai này, các nhiễm sác thể từ những cặp khác nhau nhưng cố chung một nguồn gổc từ bố hoặc mẹ thỉ cùng phân ly về một cực trong quá trinh giảm phân. Wallace (1958) đã sử dụng những dẫn liệu ở bống, cà chua và đưa ra khái niệm về hiện tượng liên kết giả giữa các nhiễm sắc thể có nguốn gốc khác nhau (từ bố và từ