Bài giảng Nguyên lý phương pháp chọn giống cây trồng - Chương 8: Chọn giống ở cây giao phấn

7/18/15 1 Chƣơng 8 CHỌN GIỐNG Ở CÂY GIAO PHẤN 8.1. KHÁI NIỆM CHỌN LỌC CẢI TIẾN QUẦN THỂ Quần thể (population) là một nhóm của các cá thể giao phối hữu tính, do giao phối nên rất nhiều gen trong nhóm có thể chuyển đến tất cả các thành viên trong nhóm dễ dàng thông qua quá trình sinh sản hữu tính. Vốn gen (gene pool) là tổng các thành viên và giống mang các gen và alen trong một quần thể sinh sản hữu tính có thể truyền đạt những gen và alen đó cho thế hệ sau. Để cải tiến quần thể, nhà tạo giống cần tập hợp nguồn gen, đánh giá chọn lọc chu kỳ để tăng tần suất các allen có lợi của các tính trạng số lƣợng. Theo George Acquuah, 2007, việc chọn lọc có thể đƣợc phân thành hai nhóm (i)Chọn lọc cải tiến trong nội bộ quần thể (intrapopulation) hoặc (ii)Chọn lọc cải tiến giữa các quần thể khác nhau (interpopulation). 8.2. ĐỘNG THÁI DI TRUYỀN QUẦN THỂ CÂY GIAO PHẤN Động thái di truyền quần thể cây giao phấn đủ lớn, không dị hợp, và giao phối ngẫu nhiên ở trạng thái cân bằng di truyền nếu không có áp lực của chọn lọc, đột biến hay lẫn tạp đƣợc Hardy-Weinberg (1908) phát biểu: “Gen và tần suất kiểu gen trong một quần thể Mendel không đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác, nếu không có chọn lọc, đột biến, lẫn tạp hay thay đổi ngẫu nhiên". Nếu p đại diện cho tần suất một alen trội A, thì q = 1-p biểu diễn cho tần suất alen lặn a, trạng thái cân bằng di truyền Hardy- Weinberg biểu diễn bằng phƣơng trình sau: p2 + 2p(1-p) + (1-p)2 = 1 Nếu đặt (1-p) = q ta có p2 + 2pq+ q2 = 1 8.3. CHỌN LỌC CHU KỲ 8.3.1. Khái niệm Chọn lọc chu kỳ đƣợc hình thành từ ý tƣởng tăng tần suất các gen có lợi vào các dòng thuần ƣu tú và tái tổ hợp chúng trong giống ƣu thế lai. Phƣơng pháp này đƣợc Jenkins (1940) và Hull (1945) phát triển và sau đó các tác giả khác đặt tên là chọn lọc chu kỳ. Vật liệu nguồn chọn lọc chu kỳ cải tiến quần thể có thể là một quần thể thụ phấn tự do, giống tổng hợp, lai đơn hoặc lai kép.  Quần thể cải tiến có thể đƣợc sử dụng đại trà là giống thụ phấn tự do mới hoặc sử dụng làm vật liệu cho chƣơng trình tạo giống khác. Chọn lọc chu kỳ không làm giảm biến dị di truyền, để cải tiến quần thể thành công cần tăng đa dạng di truyền quần thể. Nhiều chu kỳ chọn lọc sẽ làm tăng cơ hội tái tổ hợp nhƣng sẽ mất nhiều thời gian, vì vậy, nhà tạo giống cần xem xét quyết định số thể hệ chọn lọc cho phù hợp. Hình 8.1. Mô hình chọn lọc chu kỳ tổng quát của Backer (1993) Hình 8.2. Sơ đồ chọn lọc một tính trạng số lƣợng của quần thể cây giao phấn Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 2 Hình 8.3. Tiến bộ quần thể sau các chu kỳ chọn lọc 8.3.3. Chọn lọc chu kỳ và hiệu quả chọn lọc Nhiều sơ đồ chọn lọc chu kỳ đƣợc đề suất và sử dụng, mỗi sơ đồ có khả năng khai thác hoạt động của gen khác nhau nhƣ hiệu ứng cộng, trội từng phần, trội và siêu trội. Một số sơ đồ có thể kể đến nhƣ: (i) Sơ đồ đơn giản không sử dụng cây thử (tester) chỉ hiệu quả với các tính trạng có hệ số di truyền cao. Tester sử dụng trong chọn lọc nhằm đánh giá KNKH chung và KNKH riêng, cho phép khai thác hiệu quả các gen khác nhau. (ii) Chọn lọc chu kỳ dựa trên KNKH chung cho hiệu quả hơn với các gen hiệu ứng cộng (iii) Chọn lọc chu kỳ dựa trên KNKH riêng hiệu quả hơn đối với các gen hoạt động siêu trội; (iv) Chọn lọc chu kỳ thuận nghịch cho hiệu quả với cả gen hiệu ứng cộng và siêu trội. Bảng 8.1. Chọn lọc cải tiến giữa các quần thể Phƣơng pháp Đánh giá thử nghiệm con cải Đơn vị tái tổ hợp Chu kỳ thuận nghịch Các gia đình Half-sib Các gia đình S1 Full-sib thuận nghịch Các gia đình Full-sib Các gia đình S1 Lai thử (Testcross) Lai thử Các gia đình S1 Bảng 8.2. Chọn lọc cải tiến một quần thể Phƣơng pháp Đánh giá thử nghiệm con cải Đơn vị tái tổ hợp Chọn lọc hỗn hợp (hai bố mẹ) Các cá thể cây chọn Các cá thể cây chọn Chọn lọc hỗn hợp (một bố mẹ) Các cá thể cây chọn Hạt giao phối cùng giống Half-sib (chọn con cái) Các gia đình Half-sib Các gia đình Half-sib Half-sib (bố mẹ tự thụ) Các gia đình Half-sib Gia đình S1 Bắp trên hàng cải tiến (Modified ear-to-row) Các gia đình Half-sib Hạt giao phối cùng giống Full-sib Các gia đình Full-sib Các gia đình Full-sib Gia đình S1 Gia đình S1 Gia đình S1 Gia đình S2 Gia đình S2 Gia đình S2 8.4. PHƢƠNG PHÁP CHỌN LỌC CẢI TIẾN QUẦN THỂ CÂY GIAO PHẤN 8.4.1. Chọn lọc cải tiến một quần thể a) Chọn lọc cá thể (Individual plant selection methods) * Phƣơng pháp 1: Chọn lọc hỗn hợp (Mass selection) Vụ/năm Kỹ thuật 1  Gieo trồng quần thể gốc (địa phƣơng, tổng hợp, hỗn hợp)  Khử bỏ những cây không mong muốn trƣớc khi ra hoa  Chọn lấy vài trăm cá thể dựa trên kiểu hình  Thu hoạch rồi hỗn hợp hạt, tạo lô hạt mới 2  Lặp lại nhƣ vụ 1, trồng hạt đã đƣợc trộn; tiến hành TN sơ bộ  Đối chứng là quần thể gốc nếu mục đích chọn lọc HH cải tiến 3  Lặp lại nhƣ vụ 2 hoặc thêm vụ đến khi có kết quả 4  Thử nghiệm, đánh giá năng suất Ƣu điểm: Chọn lọc hỗn hợp là phƣơng pháp đơn giản, không cần đánh giá bằng thí nghiệm lặp lại với ô nhiều hàng, không cần kiểm soát thụ phấn và không phải mô tả gia phả. Hạn chế: Chọn lọc chỉ dựa trên kiểu hình do vậy chọn cây ƣu tú nhất thƣờng rất khó khăn. Do không kiểm soát thụ phấn nên cây đƣợc chọn nhận phấn của cả cây không mong muốn. Nếu chọn lọc cƣờng độ cao, quần thể nhỏ dân đến cận phối Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 3 * Phƣơng pháp 2: Chọn lọc hỗn hợp cải tiến Có 2 phƣơng pháp chọn lọc hỗn hợp cải tiến: - Chọn lọc hỗn hợp theo hệ thống phân tầng hoặc mạng lƣới - Chọn lọc hỗn hợp kiểu sắp xếp tổ ong (Honeycomb design): Phƣơng pháp này do A. Fasoulas đề xuất năm 1973, Phƣơng thức trồng hình tam giác chứ không trồng hình chữ nhật truyền thống. Mỗi cây là trung tâm của một hình lục giác đều, khoảng cách 6 cây đều nhau và so sánh với 6 cây khác. Chọn lọc thực hiện nhƣ phƣơng pháp 1 của chọn lọc hỗn hợp (đƣợc nêu trên). b. Các phƣơng pháp chọn lọc cải tiến quần thể Các phƣơng pháp chọn lọc gia đình cải tiến bao gồm chọn lọc half-sib (bắp trên hàng, bắp trên hàng cải tiến), chọn lọc full-sib, chọn lọc tự phối S1 hoặc S2; Chọn lọc dựa trên phép lai thử (testcross) đánh giá KNKH chung và KNKH riêng. Đặc điểm chung của chọn lọc cải tiến quần thể gồm 3 bƣớc: Bƣớc 1: Tạo gia đình Bƣớc 2: Đánh giá và chọn lọc các gia đình tốt nhất thông qua đánh giá con cái Bƣớc 3: Tái tổ hợp hạt từ các gia đình đƣợc chọn, tạo quần thể mới cho chu kỳ chọn lọc tiếp theo - Phƣơng pháp chọn lọc gia đình nửa máu Vụ Kỹ thuật 1 Trồng quần thể ban đầu (Co), để tự do thụ phấn Chọn cây ƣu tú theo mục tiêu tạo giống, thu hoạch riêng từng cây 2 Hạt của các cây ở vụ 1 đƣợc chia làm 2 phần: 1 phần đem trồng thành 1 hàng (half-sib), đánh giá xác định con cái tốt nhất, thu hạt ở hàng tốt; 1 phần nữa đƣợc cất trữ để tái tổ hợp ở vụ 3. 3 Hai phƣơng pháp tạo tái tổ hợp: 1- Lấy hạt đang cất trữ của những cây ƣu tú chọn ở vụ 1 và đƣợc đánh giá tốt ở vụ 2 đem hỗn lại 2- Tái tổ hợp những dòng tốt ở vụ 2 4 Tạo lập quần thể chọn lọc chu kỳ 1 (C1) + Phƣơng pháp half-sib 1: Chọn lọc bắp theo hàng (ear-to-row): Phƣơng pháp chọn lọc bắp theo hàng là phƣơng pháp đơn giản nhất chọn lọc half-sib ở các loài cây giao phấn. Phƣơng pháp đƣợc ứng dụng ở các loài cỏ lâu năm và chọn các tính trạng có hệ sô di truyền cao ở cây có dầu, ngô rất hiệu quả. Các bƣớc chọn lọc Vụ/năm Kỹ thuật 1 - Trồng giống ngô cần cải tiến-quần thể nguồn (Co) - Chọn cây ƣu tú (So) trên cơ sở kiểu hình - Thu hoạch bắp riêng từng cây - Chia đôi số hạt thu đƣợc của từng cây thành 2 phần: 1 phần đem trồng thành 1 hàng, đánh giá xác định con cái tốt nhất, thu hạt ở hàng tốt; 1 phần nữa đƣợc cất trữ để tái tổ hợp ở vụ 3 2 3 - Trồng các cá thể đƣợc chọn thành dòng, mỗi bắp trồng thành một hàng - Chọn hàng tốt nhất (S1), thu hoạch - Tái tổ hợp hạt từ các dòng tốt hoặc tái tổ hợp hạt đang cất trữ (So). - Trồng hỗn hạt ở khu cách ly đánh giá có so sánh với đối chứng là giống ban đầu 4 Hạt thu hoạch cho chu kỳ tiếp theo Sơ đồ chọn lọc đƣợc thể hiện ở hình 8.6. Hình 8.6. Sơ đồ chọn lọc half-sib Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 4 + Phƣơng pháp half-sib 2: Chọn lọc bắp theo hàng cải tiến (Lonnquist, 1964) + Phƣơng pháp half-sib 3: Chọn lọc half-sib dựa vào năng suất của con lai thử (Half-sib selection with progeny test). * Phƣơng pháp chọn lọc gia đình cả máu (Full-sib family selection methods) - Phƣơng pháp chọn lọc full-sib chu kỳ Phƣơng pháp chọn lọc gia đình tự phối đời S1 hoặc S2 8.4.2. Chọn lọc cải tiến đồng thời hai quần thể Hình 8.11. Sơ đồ tổng quát chọn lọc bằng half-sib và lai thử KNKH a. Chọn lọc chu kỳ half-sib thuận nghịch Hình 8.12. Sơ đồ chọn lọc chu kỳ half-sib thuận nghịch Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 5 b. Chọn lọc chu kỳ thuận nghịch full-sib Hình 8.13. Chọn lọc chu kỳ full-sib thuận nghịch 8.5. PHÁT TRIỂN GIỐNG TỔNG HỢP 8.5.1. Những đặc điểm ƣu thế của giống tổng hợp K. J. Frey (1975) tóm tắt những ƣu điểm chính nhƣ sau: Năng suất bị giảm qua các thể hệ ít hơn so với giống lai đơn hoặc lai kép. Ví dụ ở ngô F2 giảm năng suất 15-30% so với F1, giống tổng hợp syn-2 giảm so với syn 1 chỉ 5-15% Giống tổng hợp thích nghi với môi trƣờng qua thời gian tốt hơn Giống tổng hợp là quần thể dị hợp nên ổn định hơn khi môi trƣờng thay đổi. 8.5.2. Đặc điểm cơ bản của phát triển giống tổng hợp Có 3 bƣớc cơ bản phát triển giống tổng hợp: Tập hợp các bố mẹ (dòng vô tính, dòng thuần) Đánh giá KNKH chung Giao phối ngẫu nhiên tạo giống tổng hợp. 8.5.3. Đánh giá KNKH chung (Test for General Combining Ability) Ba phƣơng pháp chính sử dụng là: Đa giao (Polycross test) Thử nghiệm lai đỉnh (Topcross test) Thử nghiệm lai luân phiên (Dialen cross test). 8.5.4. Chọn lọc đa giao với cây có khả năng nhân vô tính Năm Kỹ thuật 1 Vƣờn dòng nguồn. Quần thể nguồn gồm có các dòng vô tính; Vƣờn dòng trồng vài nghìn cây (2.000–3.000-càng nhiều cây càng tốt) tập hợp từ nhiều nguồn để đảm bảo nền di truyền rộng để chọn lọc dòng vô tính mới. Nguồn vật liệu đánh giá và thanh lọc nhân biết các cá thể ƣu tú phù hợp với mục tiêu tạo giống. 2 Các dòng vô tính (Clonal lines). Nhà tạo giống chọn lọc ban đầu 100–200 cây ƣu tú dựa trên kiểu hình để tạo các dòng vô tính. Thiết lập vƣờn dòng vô tính khoảng 20–25 cây từ mỗi dòng bố mẹ. Từ đó có thể chọn lọc dƣới nhiều bất thuận sinh học và phi sinh học (nhƣ hạn, dịch bệnh và bất thuận khác) để xác nhận nhận khoảng 25–50 dòng vô tính ƣu tú nhất. 3 Vƣờn lai đa giao (Polycross nursery). Các dòng vô tính đã chọn trồng trong vƣờn đa giao để nhân hạt cho thử nghiệm con cái. Thiết kế đa giao đảm bảo mỗi dòng có thể nhận phấn ngẫu nhiên từ dòng khác. Một thiết kế đa giao là các ô vuông 12m x 12m, mỗi dòng vô tính có mặt trong một hàng. Dùng lƣới ngăn cách giữa các ô đa giao để cách ly, khi thụ phấn xong bỏ lƣới ngăn. Số lặp lại lớn (10 hoặc hơn) ngẫu nhiên các dòng để sử dụng hỗn hợp phấn cao. Hạt của mỗi dòng thu riêng. Đa giao đảm bảo chắc chắn lai ngẫu nhiên giữa các dòng. 4 Thử nghiệm con cái đa giao (Polycross progeny test). Hạt thu đƣợc từ các dòng vô tính đƣợc hỗn hợp, trồng thành hàng để đánh giá năng suất và các tính trạng khác phù hợp với mục tiêu tạo giống. Chọn 5-10 dòng tốt nhất để tạo giống tổng hợp. 8.5.4. Chọn lọc đa giao với cây có khả năng nhân vô tính Năm Kỹ thuật 5 Giống tổng hợp thế hệ Syn-0 (Syn-0 generation). Các dòng vô tính chọn đem nhân giống sinh dƣỡng trong khu cách ly cho thụ phấn chéo tạo hạt giống tổng hợp thế hệ Syn-0. 6 Thế hệ giống tổng hợp Syn-1. Hạt của Syn-0 nhân tăng lên bằng trồng trong khu cách ly. Số hạt ngang bằng nhau của các cây bố mẹ trộn lẫn đảm bảo giao phối ngẫu nhiên trên ruộng. Thu hoạch hỗn hạt tạo lô hạt Syn-1 cung cấp cho sản xuất. 7 Thế hệ giống tổng hợp tiếp sau (Subsequent syn generations). Thƣờng hạt giống tổng hợp Syn-1 không đủ cung cấp cho nông dân sản xuất. Trong thực tế Syn-1 đƣợc nhân tiếp bằng tự do thụ phấn tạo thế hệ Syn-2. Hạt Syn-1 và Syn-2 là hạt tác giả. Nhân đến Syn-3 là hạt nguyên chủng và Syn-4 là hạt xác nhận. Sự mất sức sống tăng dần qua các thế hệ nhân xảy ra tƣơng tự với giống lai F1 sử đến F2, đến Fn. Do vậy, rất quan trọng là duy trì dòng vô tính nguồn. Các bƣớc mô tả trong phƣơng pháp chỉ là chung nhất và có thể cải tiến cho phù hợp với loài cây trồng và mục tiêu tạo giống của tác giả. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 6 Hình 8.14. Sơ đồ tạo giống tổng hợp ở cây thức ăn gia súc bằng phƣơng pháp đa giao Chọn lọc đa giao là một dạng chọn lọc half-sib, phù hợp với các loài cây giao phấn sinh sản bằng hạt, nhƣng có khả năng sinh sản vô tính, đặc biệt cỏ và cây làm thứ ăn gia súc. Bƣớc 1: Chọn lọc bắt đầu dựa vào kiểu hình của những cây tốt nhất từ quần thể khởi đầu (50-100 cá thể). Bƣớc 2: Cây chọn lọc đƣợc nhân vô tính và trồng trong điều kiện cách ly; mỗi dòng vô tính đƣợc bao quanh bởi 4-8 dòng khác tạo điều kện cho thụ phán chéo ngẫu nhiên giữa tất cả các dòng. Thu hạt đa giao theo từng dòng vô tính. Giữ các dòng vô tính ở khu riêng hoặc trong nhà lƣới. Bƣớc 3: Đánh giá thế hệ con lai đa giao. Gieo hạt đa giao và đánh giá năng suất. Bƣớc 4: Dựa vào năng suất con lai đa giao, chọn 4-10 dòng vô tính tốt nhất để tạo ra giống tổng hợp. Trồng dòng vô tính dƣợc chọn trong khu cách ly và cho giao phối ngẫu nhiên. Hạt thu đƣợc là hạt tổng hợp. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7/18/15 7 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 8