Chương 2 Nguồn gen thực vật trong chọn giống cây trồng

Chương 2 NGUỒN GEN THỰC VẬT TRONG CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG 1. Khái niệm và ý nghĩa Khái niệm: Nguồn gen thực vật là một tập hợp vật liệu thực vật làm cơ sở cho cải tiến, chọn tạo giống cây trồng mới. Nguồn gen thực vật bao gồm: Giống địa phương; Giống cải tiến; Giống nhập nội; Các loài hoang dại. Ý nghĩa Nghiên cứu NGTV để tìm ra các quy luật phát sinh phát triển, tiến hóa và di thực của vật liệu từ đó hiểu được bản chất của chúng để sử dụng hợp lý và có hiệu quả. Từ những vật liệu đã thu thập được, nhà chọn giống phải biết làm phong phú thêm nguồn vật liệu bằng các phương pháp hiện đại để tạo gen mới, tổ hợp mới, dạng mới và giống mới... Thu thập nguồn gen nhằm bảo tồn các loài quý hiếm có nguy cơ tuyệt chủng. 2. Một số lý luận cơ bản về nguồn gen thực vật Học thuyết về dãy biến dị tương đồng của thực vật (N.I.Vavilop): Các loại hình thực vật gần nhau như cùng họ, cùng chi, cùng loài có hàng loạt các biến dị di truyền giống nhau. Lý luận về loại hình sinh thái: Kiểu hình (P) = Kiểu gen (G) + Môi trường (E) Học thuyết về dãy biến dị của Darwin: Biến dị là thuộc tính của tất cả các loài sinh vật trong đó biến dị di truyền là động lực của tiến hóa. Học thuyết về trung tâm phát sinh cây trồng (Alphonse de Candolle, 1886): Trung tâm khởi nguyên của cây trồng là vùng mà tại đó cây được thuần hóa đầu tiên và còn tồn tại các dạng tổ tiên hoang dại. Trung tâm khởi nguyên của cây trồng (Vavilop, 1920) Các vùng cây trồng được thuần hóa 3. Các trung tâm tài nguyên di truyền thực vật 3.1 Mạng lưới toàn cầu và quốc tế - Viện NC lúa quốc tế (IRRI), Philippine. TT Cải tiến ngô và lúa mì quốc tế (CIMMYT), Mêhicô. Viện Nông nghiệp nhiệt đới (IITA), Nigeria. TT Nông nghiệp quốc tế (CIAT), Colombia. TT NC và huấn luyện NN nhiệt đới (CATIE), Costa Rica Ngân hàng khoai tây Đức – Hà Lan, Braunschweig, Đức Viện NC cây trồng quốc tế cho vùng nhiệt đới bán khô hạn (ICRISAT), Ấn Độ. TT khoai tây quốc tế (CIP), Peru. TT Nghiên cứu NN quốc tế vùng khô hạn (ICARDA), Syria. TT Nghiên cứu và Phát triển rau châu Á (AVRDC), Đài Loan 3.2. Mạng lưới tại Việt Nam - Viện Cây lương thực và cây thực phẩm – Gia Lộc - Hải Dương Viện Di truyền Nông nghiệp - Từ Liêm – Hà Nội Viện Nghiên cứu cây ăn quả miền Nam, Đồng Nai Viện Nghiên cứu Ngô – Đan Phượng – Hà Nội Viện Nghiên cứu Bông – Nha Hố - Ninh Sơn – Ninh Thuận Viện Nghiên cứu lúa Đồng bằng Sông Cửu Long Viện KHKT nông nghiệp miền Nam, T.P Hồ Chí Minh Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội 4. Thu thập nguồn gen thực vật 4.1. Nguyên tắc thu thập: Thu thập thường xuyên Có cán bộ chuyên môn phụ trách Thu thập từ gần đến xa Thu thập tại các trung tâm phát sinh cây trồng Thu thập càng rộng càng tốt Thu thập nguồn gen lúa lai tại Quảng Tây – Trung Quốc (20.000 mẫu) 4.2. Phương pháp thu thập: Phương pháp 1: Tổ chức đoàn cán bộ chuyên môn đi thu thập Ưu điểm: Chính xác, đầy đủ, không bỏ sót nguồn gen Nhược điểm: Rất tốn kém (tiền của, thời gian, công sức) Phương pháp 2: Hợp tác trao đổi nguồn gen giữa các quốc gia hay các trung tâm quỹ gen. Ưu điểm: Đỡ tốn kém hơn, có thể thu được nguồn gen phong phú. Nhược điểm: Gây xói mòn nguồn gen địa phương và phức tạp trong công tác kiểm dịch Phương pháp 3: Hợp đồng giữa các cơ quan nhà nước, giữa các địa phương để thu thập. Ưu điểm: thuận lợi, tốn kém ít hơn, triệt để và có thể làm thường xuyên được. Nhược điểm: không có các nhà chuyên môn sâu nên có thể bỏ sót nguồn gen. Phương pháp 4: Tham gia mạng lưới thu thập đánh giá nguồn gen quốc tế Ưu điểm: rất thuận lợi. 4.3. Lưu ý khi thu thập: Ghi rõ tên giống, tên loài, tên địa phương, tên la tinh Ghi rõ đặc tính nông sinh học, năng suất, điều kiện sinh thái nơi thu thập Ghi rõ chức vụ, chuyên môn của người thu thập, nơi thu thập Tuân theo quy định kiểm dịch Lượng mẫu cần thu thập: - Quần thể biến động lớn: khoảng 100 cây (5000 hạt) - Quần thể tương đối đồng nhất: khoảng 50 cây (2500 hạt) 5. Phân loại nguồn gen thực vật 5.1. Theo hệ thống phân loại thực vật VÝ dô: C©y lóa Ngành - Divisio: Angiospermae – Thực vật có hoa Lớp – Classis: Monocotyledones – Lớp một lá mầm Bộ - Ordines : Poales (Graminates) – Hòa thảo có hoa Họ - Familia : Poacae (Graminae) – Hòa thảo Họ phụ - Subfamilia : Poidae – Hòa thảo ưa nước Tộc – Tribus : Oryzae – Lúa Chi – Genus : Oryza – Lúa Loài – Species : Oryza sativa – Lúa trồng Loài phụ - Subspecies Subsp : japonica – loài phụ Nhật Bản Subsp : indica – loài phụ Ấn Độ Subsp : javanica – loài phụ Java 5.2. Phân loại dựa theo bộ nhiễm sắc thể Mỗi loài, họ tộc, chi có bộ NST khác nhau nên có thể dựa vào đó để phân loại. VD: Lúa n = 12, 2n = 24 (Oryza sativa) Ngô n = 10, 2n = 20 (Zea mays) Khoai lang n = 45, 2n = 90 (Ipomea batatas) Đậu tương n = 19, 2n = 38 (Glycine hispida) Lạc n = 20, 2n = 40 (Arachis hypogea) Dưa chuột n = 7, 2n = 14 (Cucumis sativus) 5.3. Phân loại dựa theo nguồn gốc xuất xứ Tự nhiên Nhân tạo Cây dại Giống địa phương Tập đoàn thu thập giống CT thế giới Quần thể lai Các dòng tự phối Các dạng đột biến, đa bội Các dạng tạo ra bằng ứng dụng CNSH 5.4. Phân loại theo điều kiện sinh thái VD: Phân loại cây lúa tại IRRI - Lúa chịu hạn (Upland rice) - Lúa canh tác có tưới (Irrigrated rice) - Lúa canh tác nhờ nước trời (Rained low land rice) - Lúa chịu nước sâu (Deep water rice) - Lúa nổi (Floated rice) Trong mỗi điều kiện sinh thái phân loại theo từng đặc tính - Tập đoàn chống bệnh đạo ôn - Tập đoàn chống bệnh bạc lá - Tập đoàn giống ngắn ngày - Tập đoàn năng suất cao 5.5. Phân loại theo bản đồ gen Phân loại này chính xác nhưng phức tạp, tốn kém và phụ thuộc vào kỹ năng của người làm 6. Nghiên cứu nguồn gen thực vật Điều kiện ngoại cảnh Sơ bộ về tính trạng chất lượng Sơ bộ về tính trạng số lượng Về khả năng chống chịu Các tính trạng đặc biệt Thành lập các tập đoàn công tác Đánh giá các mẫu lúa dại 7. Bảo quản nguồn gen Quỹ gen: là tập hợp toàn bộ nguồn gen thu thập được của tất cả các loài cây dại hay cây trồng. Quỹ gen có thể phục vụ cho mục tiêu trước mắt và mục tiêu lâu dài. Nguồn gen thu thập cần được bảo quản Bảo quản nguồn gen phải đảm bảo: Chu đáo, không hư hỏng, lẫn tạp Bảo quản cùng các thông tin có liên quan Bảo quản cần làm phong phú thêm nguồn gen Bảo quản nguồn gen cây lúa tại Thái Lan 7.1. Các phương pháp bảo quản Bảo quản ex situ (off-side): là đưa nguồn gen ra khỏi môi trường sống của nó về bảo quản ở các trung tâm như: ngân hàng gen, vườn bách thảo. Ưu điểm: - Chủ động giữ nguồn gen - Cách ly được nghiêm ngặt hơn Nhược điểm: - Phải có phương tiện, vật tư và điều kiện bảo quản. - Không phát triển và làm phong phú thêm nguồn gen. - Khi điều kiện môi trường thay đổi thì hiệu quả sử dụng thấp Thời gian bảo quản Bảo quản ngắn hạn: 10 năm Hạt làm khô đến 3%, đóng gói bằng hộp kim loại bảo quản trong kho lạnh sâu -150C đến -200C Bảo quản trong kho đặc biệt: một số kiểu gen quý hiếm được bảo quản trong điều kiện môi trường nitơ lỏng (-1980C) Bảo quản in situ (on-site): bảo quản nguồn gen tại môi trường sinh sống của chúng trong điều kiện đa dạng sinh học, biến dị di truyền và chọn lọc tự nhiên. Ưu điểm: Làm phong phú thêm nguồn gen do có khả năng thu được các biến dị di truyền mới quý giá. Là phương pháp chủ yếu áp dụng để giữ vật liệu vô tính của cây sinh sản vô tính điển hình (khoai sọ, rong riềng...) Nhược điểm: Không chủ động, dễ mất nguồn gen Phương pháp: Bảo quản trên hộ nông dân Thành lập các trung tâm bảo tồn quỹ gen Hồ sơ hóa thông tin: Lưu giữ bằng văn bản, in ấn Lưu giữ trong máy tính, đĩa CD Yêu cầu thiết kế hồ sơ hóa thông tin: Dễ tra cứu Đầy đủ nội dung của các tính trạng của cây trồng và sắp xếp theo mức độ và theo nhóm tính trạng 8. Nhập nội giống cây trồng Khái niệm: Giống cây trồng nhập từ nước ngoài về trồng trong nước. Có thể sử dụng: Trực tiếp: khảo nghiệm và đưa vào sản xuất Gián tiếp: làm vật liệu tạo giống mới Một số vấn đề cần chú ý khi nhập nội giống cây trồng: Các điều kiện sinh thái của nơi mới phải đáp ứng yêu cầu của giống nhập nội. Nhập nội giống cây lấy phần dinh dưỡng làm sản phẩm dễ thành công hơn cây lấy hạt, lấy quả. Ưu tiên nhập nội các giống cây trồng có các tính trạng quý nhằm bổ sung cho công tác chọn giống trong nước. Phương pháp nhập nội: Bước 1: Xác định mục tiêu để lựa chọn giống nhập nội phù hợp. Bước 2: Kiểm dịch giống nhập nội, có giấy chứng nhận và giấy phép nhập khẩu + Kiểm dịch tại nơi đến + Kiểm dịch sau khi nhập Bước 3: Tiến hành đánh giá, khảo nghiệm, nghiên cứu giống nhập nội Nhập nội thông qua chương trình thử nghiệm quốc tế (ITP-International Testing Program) Đây là chương trình phối hợp nghiên cứu đa quốc gia về giống cây trồng. Các nhà chọn giống tiến hành trao đổi, thử nghiệm các giống mới. Theo con đường này, nhiều giống tốt đã được công nhận và trồng phổ biến rộng rãi 9. Sử dụng nguồn gen Sử dụng trực tiếp làm giống Thường áp dụng đối với những cây làm thức ăn gia súc, cây họ đậu hoặc cây mà quá trình chọn giống chưa có gì đáng kể. Chuyển các tính trạng đơn gen (introgression) Chuyển các tính trạng đơn gen mong muốn từ loài hoang dại hoặc nguồn gen không thích nghi vào các giống ưu tú, ví dụ như các gen kháng sâu, kháng bệnh. Vòi nhuỵ của lúa dại Bao phấn của lúa dại Chuyển tính trạng số lượng Lai trực tiếp rồi sau đó tạo dòng thuần và tiến hành chọn lọc qua nhiều chu kỳ. Chuyển gen nhờ chỉ thị Chỉ thị di truyền là những vị trí gen (locus) khác biệt nhau bao trùm toàn bộ genom. Các chỉ thị di truyền liên kết với gen quy định tính trạng mong muốn sẽ được sử dụng để chọn lọc. Các alen có lợi ẩn dấu trong 1 kiểu hình không mong muốn của nguồn gen có thể được khai thác có hiệu quả. Tuy nhiên phương pháp này tốn kém. Phương pháp kết hợp Tạo ra những quần thể có nền di truyền rộng bằng cách kết hợp nhiều nguồn vật liệu với nhau cho phép tái tổ hợp tối đa. Chọn lọc cường độ thấp để hỗn hợp các alen với nhau. Các gen có ích được tổ hợp lại và tách ra khỏi các gen không có lợi. Tiến hành chọn lọc theo khả năng thích nghi với điều kiện tự nhiên. Kết quả cuối cùng là tạo ra một tập hợp nguồn gen bổ sung cho vật liệu chọn giống. 10. Giá trị của nguồn gen địa phương Nguồn gen địa phương hay các giống địa phương là những quần thể hỗn hợp các dòng khác nhau, tất cả đều thích nghi tốt với điều kiện chúng được tạo thành và tiến hóa. Các dòng có thể phản ứng khác nhau với sâu bệnh hại làm cho quần thể giống địa phương bảo vệ hiệu quả đối với dịch bệnh. Các giống địa phương được lai với vật liệu ưu tú và áp dụng các phương pháp cải tiến quần thể tiêu chuẩn để chọn lọc. 11. Vốn gen (gene pool) Vốn gen là nguồn tài nguyên di truyền của một loài cây trồng nhất định có mối quan hệ là sự di chuyển gen giữa chúng với nhau thông qua con đường sinh sản hữu tính. Vốn gen sơ cấp: sự di chuyển gen giữa các thành viên dễ dàng, quần thể trồng trọt, các giống địa phương Vốn gen thứ cấp, quan hệ họ hàng trong cùng một chi: có thể chuyển gen với nhau nhưng rất khó khăn. Vốn gen tam cấp: chuyển gen giữa các đơn vị phân loại đòi hỏi kỹ thuật cao (khác chi, cùng chi).