Bài giảng Chọn giống ở cây giao phấn

Nội dung text: Bài giảng Chọn giống ở cây giao phấn

1. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 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 Chƣơng 8 gen và alen trong một quần thể sinh sản hữu tính có thể truyền đạt những gen và alen đó cho thế hệ sau. CHỌN GIỐNG Ở CÂY GIAO PHẤN 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 8.3. CHỌN LỌC CHU KỲ Động thái di truyền quần thể cây giao phấn đủ lớn, không dị hợp, 8.3.1. Khái niệm và giao phối ngẫu nhiên ở trạng thái cân bằng di truyền nếu không Chọn lọc chu kỳ đƣợc hình thành từ ý tƣởng tăng tần suất các có áp lực của chọn lọc, đột biến hay lẫn tạp đƣợc Hardy-Weinberg gen có lợi vào các dòng thuần ƣu tú và tái tổ hợp chúng trong giống ƣu thế lai. (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 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. chọn lọc, đột biến, lẫn tạp hay thay đổi ngẫu nhiên". Vật liệu nguồn chọn lọc chu kỳ cải tiến quần thể có thể là một Nếu p đại diện cho tần suất một alen trội A, thì q = 1-p biểu diễn quần thể thụ phấn tự do, giống tổng hợp, lai đơn hoặc lai kép. cho tần suất alen lặn a, trạng thái cân bằng di truyền Hardy-  Quần thể cải tiến có thể đƣợc sử dụng đại trà là giống thụ phấn Weinberg biểu diễn bằng phƣơng trình sau: tự do mới hoặc sử dụng làm vật liệu cho chƣơng trình tạo giống khác. 2 2 p + 2p(1-p) + (1-p) = 1 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. Nếu đặt (1-p) = q ta có 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 2 2 p + 2pq+ q = 1 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 1
2. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 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; Hình 8.3. Tiến bộ quần thể sau các chu kỳ chọn lọc (iv) Chọn lọc chu kỳ thuận nghịch cho hiệu quả với cả gen hiệu ứng cộng và siêu trội. Bảng 8.2. Chọn lọc cải tiến một quần thể Bảng 8.1. Chọn lọc cải tiến giữa các quần thể Đánh giá thử nghiệm Phƣơng pháp Đơn vị tái tổ hợp con cải Đánh giá thử nghiệm Đơn vị tái tổ Phƣơng pháp Chọn lọc hỗn hợp (hai con cải hợp Các cá thể cây chọn Các cá thể cây chọn bố mẹ) Chọn lọc hỗn hợp (một Hạt giao phối cùng Các cá thể cây chọn Chu kỳ thuận nghịch Các gia đình Half-sib Các gia đình S1 bố mẹ) 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 Full-sib thuận nghịch Các gia đình Full-sib Các gia đình S1 Bắp trên hàng cải tiến Hạt giao phối cùng Các gia đình Half-sib (Modified ear-to-row) giống Lai thử (Testcross) Lai thử Các gia đình S1 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 Ƣu điểm: a) Chọn lọc cá thể (Individual plant selection methods) Chọn lọc hỗn hợp là phƣơng pháp đơn giản, không cần đánh giá bằng * Phƣơng pháp 1: Chọn lọc hỗn hợp (Mass selection) thí nghiệm lặp lại với ô nhiều hàng, không cần kiểm soát thụ phấn và không phải mô tả gia phả. Vụ/năm Kỹ thuật Gieo trồng quần thể gốc (địa phƣơng, tổng hợp, hỗn hợp) Hạn chế: Khử bỏ những cây không mong muốn trƣớc khi ra hoa 1 Chọn lọc chỉ dựa trên kiểu hình do vậy chọn cây ƣu tú nhất thƣờng Chọn lấy vài trăm cá thể dựa trên kiểu hình rất khó khăn. Thu hoạch rồi hỗn hợp hạt, tạo lô hạt mới Do không kiểm soát thụ phấn nên cây đƣợc chọn nhận phấn của cả Lặp lại nhƣ vụ 1, trồng hạt đã đƣợc trộn; tiến hành TN sơ bộ cây không mong muốn. 2 Đối chứng là quần thể gốc nếu mục đích chọn lọc HH cải tiến Nếu chọn lọc cƣờng độ cao, quần thể nhỏ dân đến cận phối 3 Lặp lại nhƣ vụ 2 hoặc thêm vụ đến khi có kết quả 4 Thử nghiệm, đánh giá năng suất 2
3. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam * 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). - Phƣơng pháp chọn lọc gia đình nửa máu b. Các phƣơng pháp chọn lọc cải tiến quần thể Vụ Kỹ thuật Các phƣơng pháp chọn lọc gia đình cải tiến bao gồm chọn lọc Trồng quần thể ban đầu (Co), để tự do thụ phấn half-sib (bắp trên hàng, bắp trên hàng cải tiến), chọn lọc full-sib, 1 Chọn cây ƣu tú theo mục tiêu tạo giống, thu hoạch riêng từng cây chọn lọc tự phối S1 hoặc S2; Hạt của các cây ở vụ 1 đƣợc chia làm 2 phần: 1 phần đem trồng thành Chọn lọc dựa trên phép lai thử (testcross) đánh giá KNKH chung 1 hàng (half-sib), đánh giá xác định con cái tốt nhất, thu hạt ở hàng và KNKH riêng. 2 tốt; 1 phần nữa đƣợc cất trữ để tái tổ hợp ở vụ 3. Đặc điểm chung của chọn lọc cải tiến quần thể gồm 3 bƣớc: Hai phƣơng pháp tạo tái tổ hợp: Bƣớc 1: Tạo gia đình 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 Bƣớc 2: Đánh giá và chọn lọc các gia đình tốt nhất thông qua 3 đánh giá con cái 2- Tái tổ hợp những dòng tốt ở vụ 2 Bƣớc 3: Tái tổ hợp hạt từ các gia đình đƣợc chọn, tạo quần thể mới cho chu kỳ chọn lọc tiếp theo 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 - Trồng các cá thể đƣợc chọn thành dòng, mỗi bắp trồng thành 3 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 3
4. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam + 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 gia đình tự phối đời S1 hoặc S2 - Phƣơng pháp chọn lọc full-sib chu kỳ 8.4.2. Chọn lọc cải tiến đồng thời hai quần thể a. Chọn lọc chu kỳ half-sib thuận nghịch Hình 8.11. Sơ đồ tổng quát chọn lọc bằng half-sib và lai thử KNKH Hình 8.12. Sơ đồ chọn lọc chu kỳ half-sib thuận nghịch 4
5. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam b. Chọn lọc chu kỳ thuận nghịch full-sib 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. Hình 8.13. Chọn lọc chu kỳ full-sib thuận nghịch 8.5.2. Đặc điểm cơ bản của phát triển giống tổng hợp 8.5.3. Đánh giá KNKH chung (Test for General Combining Ability) Có 3 bƣớc cơ bản phát triển giống tổng hợp: Ba phƣơng pháp chính sử dụng là: Tập hợp các bố mẹ (dòng vô tính, dòng thuần) Đa giao (Polycross test) Đánh giá KNKH chung Thử nghiệm lai đỉnh (Topcross test) Thử nghiệm lai luân phiên (Dialen cross test). Giao phối ngẫu nhiên tạo giống tổng hợp. 8.5.4. Chọn lọc đa giao với cây có khả năng nhân vô tính 8.5.4. Chọn lọc đa giao với cây có khả năng nhân vô tính Năm Kỹ thuật Năm Kỹ thuật Vƣờn dòng nguồn. Quần thể nguồn gồm có các dòng vô tính; Vƣờn dòng trồng Giống tổng hợp thế hệ Syn-0 (Syn-0 generation). Các dòng vô tính chọn vài nghìn cây (2.000–3.000-càng nhiều cây càng tốt) tập hợp từ nhiều nguồn 5 đem nhân giống sinh dƣỡng trong khu cách ly cho thụ phấn chéo tạo 1 để đảm bảo nền di truyền rộng để chọn lọc dòng vô tính mới. Nguồn vật liệu hạt giống tổng hợp thế hệ Syn-0. đánh giá và thanh lọc nhân biết các cá thể ƣu tú phù hợp với mục tiêu tạo giống. Thế hệ giống tổng hợp Syn-1. Hạt của Syn-0 nhân tăng lên bằng trồng Các dòng vô tính (Clonal lines). Nhà tạo giống chọn lọc ban đầu 100–200 cây trong khu cách ly. Số hạt ngang bằng nhau của các cây bố mẹ trộn lẫn ƣu tú dựa trên kiểu hình để tạo các dòng vô tính. Thiết lập vƣờn dòng vô tính 6 đảm bảo giao phối ngẫu nhiên trên ruộng. Thu hoạch hỗn hạt tạo lô hạt khoảng 20–25 cây từ mỗi dòng bố mẹ. Từ đó có thể chọn lọc dƣới nhiều bất 2 Syn-1 cung cấp cho sản xuất. 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. Vƣờn lai đa giao (Polycross nursery). Các dòng vô tính đã chọn trồng trong Thế hệ giống tổng hợp tiếp sau (Subsequent syn generations). Thƣờng vƣờn đa giao để nhân hạt cho thử nghiệm con cái. Thiết kế đa giao đảm bảo hạt giống tổng hợp Syn-1 không đủ cung cấp cho nông dân sản xuất. mỗi dòng có thể nhận phấn ngẫu nhiên từ dòng khác. Một thiết kế đa giao là Trong thực tế Syn-1 đƣợc nhân tiếp bằng tự do thụ phấn tạo thế hệ các ô vuông 12m x 12m, mỗi dòng vô tính có mặt trong một hàng. Dùng lƣới Syn-2. Hạt Syn-1 và Syn-2 là hạt tác giả. Nhân đến Syn-3 là hạt nguyên 3 ngăn cách giữa các ô đa giao để cách ly, khi thụ phấn xong bỏ lƣới ngăn. Số 7 chủng và Syn-4 là hạt xác nhận. Sự mất sức sống tăng dần qua các thế lặp lại lớn (10 hoặc hơn) ngẫu nhiên các dòng để sử dụng hỗn hợp phấn cao. hệ nhân xảy ra tƣơng tự với giống lai F1 sử đến F2, đến Fn. Do vậy, rất Hạt của mỗi dòng thu riêng. Đa giao đảm bảo chắc chắn lai ngẫu nhiên giữa quan trọng là duy trì dòng vô tính nguồn. Các bƣớc mô tả trong phƣơng các dòng. pháp chỉ là chung nhất và có thể cải tiến cho phù hợp với loài cây trồng Thử nghiệm con cái đa giao (Polycross progeny test). Hạt thu đƣợc từ các và mục tiêu tạo giống của tác giả. dòng vô tính đƣợc hỗn hợp, trồng thành hàng để đánh giá năng suất và các 4 tính trạng khác phù hợp với mục tiêu tạo giống. Chọn 5-10 dòng tốt nhất để tạo giống tổng hợp. 5
6. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 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. Hình 8.14. Sơ đồ tạo giống tổng hợp ở cây Bƣớc 4: Dựa vào năng suất con lai đa giao, chọn 4-10 dòng vô tính thức ăn gia súc bằng tốt nhất để tạo ra giống tổng hợp. Trồng dòng vô tính dƣợc chọn phƣơng pháp đa giao trong khu cách ly và cho giao phối ngẫu nhiên. Hạt thu đƣợc là hạt tổng hợp. 6
7. 7/18/15 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7
8. 7/18/15 8