CƠ SỞ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT part 3

Chia sẻ: Afsjkja Sahfhgk | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:21

Thêm vào BST

Báo xấu

237
lượt xem 65
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vì môi trường biến động nên sự tương tác đó có thể âm hoặc dương. Nói chung, mô hình di truyền có thể được định nghĩa một cách chính xác hơn bằng cách phân chia trị số kiểu gene ra hai thành phần như sau: Gi = Ai + Di trong đó Ai và Di là các thành phần cộng gộp (additive) và trội (dominant). Nếu như thể dị hợp đúng là trung gian giữa các thành phần đồng hợp (như ở ví dụ về sự di truyền màu sắc hạt lúa mỳ nói trên), thì sự đóng góp của...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CƠ SỞ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT part 3

48 trong đó GEij là số đo sự tương tác giữa kiểu gene i và môi trường j. Vì môi trường biến động nên sự tương tác đó có thể âm hoặc dương. Nói chung, mô hình di truyền có thể được định nghĩa một cách chính xác hơn bằng cách phân chia trị số kiểu gene ra hai thành phần như sau: Gi = Ai + Di trong đó Ai và Di là các thành phần cộng gộp (additive) và trội (domi- nant). Nếu như thể dị hợp đúng là trung gian giữa các thành phần đồng hợp (như ở ví dụ về sự di truyền màu sắc hạt lúa mỳ nói trên), thì sự đóng góp của thành phần trội là zero; nghĩa là, toàn bộ thành phần di truyền là cộng gộp. Nói cách khác, nếu cho rằng sự tương tác kiểu gene-môi trường là không đáng kể, thì trị số kiểu hình có thể được biểu thị bằng: Pij = Ai + Di + Ej Như đã nói từ đầu, không có sự tương ứng chính xác giữa một kiểu gene với một kiểu hình đối với các tính trạng số lượng. Vì vậy, cách thực tế hơn để kiểm tra các tính trạng này là tách sự biến đổi trong một quần thể đối với một kiểu hình cụ thể thành ra hai phần, phần biến đổi do nhân tố di truyền gây ra và phần biến đổi do nhân tố môi trường gây ra. Khi đó phương sai hay biến lượng kiểu hình (phenotypic variance) sẽ là: VP = VG + VE trong đó VP, VG và VE tương ứng là các biến lượng của kiểu hình, di truyền và môi trường. Và theo cách làm ở trên, nếu ta tách các thành phần cộng gộp và trội để kiểm tra biến lượng kiểu hình, ta có: VP = (VA + VD) + VE trong đó VA và VD tương ứng là các biến lượng di truyền do các hiệu quả cộng gộp và trội. Nếu ta chia biểu thức này cho VP, lúc đó ta thu được tỷ lệ của biến lượng kiểu hình do các thành phần khác nhau gây ra. Cụ thể là, tỷ số giữa biến lượng di truyền cộng gộp và biến lượng kiểu hình được coi là hệ số di truyền (h2; heritability): h2 = VA/VP Đại lượng hệ số di truyền này rất quan trọng trong việc xác định tốc độ và hàm lượng đáp ứng đối với sự chọn lọc định hướng (directional selection), tức chọn lọc đào thải các kiểu hình cực đoan, và nó thường được các nhà chọn giống động vật và thực vật ước tính trước khi bắt đầu một chương trình chọn lọc nhằm cải thiện năng suất hoặc các tính trạng khác. II. Ước tính hệ số di truyền và phân tích phương sai 1. Hệ số di truyền và ý nghĩa của nó trong chọn giống thực vật
49 1.1. Hệ số di truyền Bây giờ ta thử tìm hiểu vấn đề ước lượng hệ số di truyền (heritability) dựa trên hệ số tương quan của một số tính trạng ở các cặp sinh đôi cùng trứng (monozygotic twins) và sinh đôi khác trứng (dizygotic twins). Ta biết rằng những cặp sinh đôi cùng trứng thì có cùng kiểu gene; như vậy bất kỳ sự sai khác nào giữa chúng phải là kết quả của các nhân tố môi trường. Trên thực tế, các cặp sinh đôi giống hệt nhau là do sự chia xẻ cùng kiểu gene cũng như các điều kiện môi trường như nhau. Một cách để xác định mức độ tương đồng hay giống nhau là tính hệ số tương quan r (correlation) giữa các cá thể về các tính trạng khác nhau. Trị số cao nhất của hệ số r là 1, trong đó tất cả các cặp cá thể đều có cùng trị số kiểu hình như nhau. Nếu như các tính trạng là không có tương quan giữa các cặp cá thể thì r = 0. Một kết quả nghiên cứu về các hệ số tương quan của bốn tính trạng khác nhau ở các cặp sinh đôi cùng trứng (rM) và các cặp sinh đôi khác trứng (rD) nhưng cùng giới tính được cho ở bảng 3.2. Những sai khác giữa các trị số này phải là kết quả của sự tương đồng di truyền thấp hơn ở các cặp sinh đôi khác trứng vốn chia xẻ (tính bình quân) chỉ một nửa các gene của chúng nói chung. Công thức để tính hệ số di truyền như sau: h2 = 2(rM − rD) trong đó rM và rD lần lượt là các hệ số tương quan giữa các cặp sinh đôi cùng trứng và khác trứng. Bằng cách sử dụng công thức này, ta tính được các hệ số di truyền cho bốn tính trạng ở bảng 3.2 biến thiên từ 0,98 đến 0,16. Qua đó cho thấy, hầu hết sự biến đổi các chỉ số IQ và trưởng thành về mặt xã hội dường như là do môi trường, trong khi hầu như sự biến đổi trong số lượng nếp vân tay và chiều cao dường như là do di truyền. Bảng 3.2 Sự tương quan của bốn tính trạng giữa các cặp sinh đôi ở người Hệ số tương quan Tính trạng Hệ số di truyền rM rD Số lượng nếp vân tay 0,96 0,47 0,98 Chiều cao 0,90 0.57 0,66 Chỉ số IQ 0,83 0,66 0,34 Chỉ số trưởng thành về mặt xã hội 0,97 0,89 0,16 1.2. Ý nghĩa của hệ số di truyền trong chọn giống thực vật Hiệu quả chọn lọc đối với một tính trạng số lượng phụ thuộc vào ý nghĩa tương đối của các yếu tố di truyền và không di truyền trong sự khác nhau kiểu hình giữa các kiểu gene trong quần thể - một khái niệm gọi là hệ số di truyền. Hệ số di truyền được đo bằng tỷ số của phương sai di truyền
50 và phương pháp kiểu hình hay tổng phương sai. Có hai giá trị thường được sử dụng, đoa là: hệ số di truyền theo nghĩa rộng: hb2 = σ G / σ P ,và hệ số di 2 2 truyền theo nghĩa hẹp: hn2 = σ A / σ P . Ta có thể ước lượng hệ số di truyền 2 2 của một tính trạng bằng nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn: Phương pháp phân tích thế hệ phân ly, gồm F2 và con lai trở lại, và thế hệ không phân ly, gồm bố mẹ và F1 (Mather 1949), tương quan giữa bố mẹ và con cái (Frey và Horner 1957) và phương pháp phân tích thành phần phương sai. Trong các phương pháp nêu trên, phương pháp phân tích thành phần phương sai cung cấp tính linh động lớn nhất để dự đoán hiệu quả của các phương pháp chọn lọc. Thành phần phương sai có thể sử dụng để tính toán hệ số di truyền trên cơ sở các thể hệ, lô thí nghiệm và dòng. Vì hệ số di truyền là một đại lượng thống kê biểu thị tỷ số giữa các phương sai nên h2 là một đại lượng đặc trưng cho quần thể xác định trong một môi trường xác định. Bản thân giá trị di truyền của một quần thể không nói lên tính ưu việt của quần thể đó. Giá trị h2 dao động trong khoảng từ 0 đến 1. Trong một dòng thuần các cá thể có cùng kiểu gen nên toàn bộ sự biến động hay sự khác nhau giữa các cá thể hoàn toàn là do các yếu tố ngoại cảnh (h2 = 0). Mục đích của chọn lọc là thay đổi giá trị trung bình của quần thể đối với tính trạng cần cải tiến thông qua sự thay đổi tần số gene. Tuy nhiên, hiệu quả chọn lọc đối với tần số gene ở tính trạng số lượng không thể quan sát trực tiếp mà chỉ có thể xác định thông qua sự thay đổi của giá trị trung bình và những tham số khác của quần thể như các thành phần phương sai. Sự thay đổi giá trị kiểu gene sau một thế hệ chọn lọc được gọi là kết quả chọn lọc (còn gọi là tiến bộ di truyền) là: ΔG = Sh2 trong đó: S là vi sai chọn lọc; ΔG - hiệu số giữa giá trị trung bình của các cá thể được chọn và quần thể ban đầu; và h2 - hệ số di truyền (thường là nghĩa hẹp) Công thức trên cho thấy kết quả chọn lọc sẽ cao nếu hệ số di truyền và vi sai chọn lọc cao. Giá trị của h2 bị ảnh hưởng bởi môi trường nhưng có thể tăng bằng cách sử dụng phương pháp chọn lọc và sơ đồ thí nghiệm thích hợp. Vi sai chọn lọc phụ thuộc vào tỉ lệ cá thể được chọn và mức độ biến động của quần thể. Vi sai chọn lọc tăng cùng chiều với độ biến động nhưng ngược chiều với tỷ lệ chọn lọc. Để chẩn đoán kết quả chọn lọc người ta thường sử dụng giá trị S/σp thay cho S làm vi sai chọn lọc được tiêu chuẩn hoá. Do đó kết quả chọn lọc được biểu thị bằng công thức
51 ΔG = iσph2 trong đó: i = S/σp là cường độ chọn lọc. Đối với các tính trạng số lượng phân phối chuẩn thì i = Yz/p, trong đó Yz là độ cao của toạ độ tại điểm chọn lọc và p là tỷ lệ được chọn. Có thể tính được cường độ chọn lọc (các giá trị i) cho các giá trị p khác nhau bằng cách sử dụng bảng có giá trị Yz trong một số sách thống kê. Chẳng hạn: p% 50 40 30 25 20 15 10 5 2 1 i 0.80 0.97 1.16 1.27 1.40 1.55 1.76 2.06 2.42 2.84 2. Tương quan di truyền và phản ứng liên đới Hai tính trạng, chẳng hạn, chiều cao cây và tổng năng suất chất khô có thể tương quan về kiểu hình. Tuy nhiên, điều quan trọng đối với nhà chọn giống là phải xác định được mối tương quan có cơ sở di truyền hoặc phản ánh những yếu tố môi trường. Tương quan di truyền (rA) được ước lượng thông qua tương quan của giá trị chọn giống giữa hai tính trạng của các cá thể trong quần thể. Tương quan môi trường (rE) là tương quan giữa các độ lệch môi trường biểu thị phần dư của phương sai kiểu hình. Có thể biểu thị phương sai kiểu hình giữa hai tính trạng X và Y theo công thức sau: Cov A + Cov E Cov P rp = = σ Pxσ Py σ Pxσ Py 2 2 Nếu đặt e = 1 - h , ta có thể viết lại biểu thức trên như sau Cov A Cov E r p = hx h y + ex e y σ Axσ Ay σ Exσ Ey rp = hx h y rA + e x e y rE Suy ra: Thông thường chọn lọc để cải tiến một tính trạng này kéo theo sự thay đổi của một tính trạng khác. Ví dụ khi tăng hàm lượng caroten ở khoai lang làm thay đổi thuỷ phân hay hàm lượng chất khô trong củ. Nếu gọi X là tính trạng được chọn trực tiếp thì phản ứng chọn lọc của X bằng giá trị chọn giống trung bình của các cá thể được chọn. Sự thay đổi của tính trạng gián tiếp Y sẽ bằng hồi quy của giá trị chọn giống của Y với giá trị chọn giống của X. Quan hệ hồi quy của Y đối với X là σ Cov b( A)YX = 2 A = rA AY σ AX σ AX Kết quả chọn lọc của tính trạng X khi chọn trực tiếp là Δ GX = ihxσ AX
52 Do đó phản ứng liên đới của tính trạng Y là σ AY = ihx rAσ AY CΔ GY = b( A)YX Δ GX = ihxσ AX rA σ AX Nếu đặt σ AY = h yσ AY thì phản ứng liên đới sẽ là CΔ GY = ih x h y rAσ PY Vì vậy kết quả chọn lọc của tính trạng liên đới có thể dự đoán nếu biết được tương quan di truyền và hệ số di truyền của hai tính trạng. 3. Phân tích phương sai và hồi quy Tương tác kiểu gene - môi trường biểu thị một thành phần của kiểu hình có thể làm sai lệch giá trị ước lượng của các thành phần khác. Tương tác kiểu gene môi trường tồn tại khi hai hay nhiều kiểu gene phản ứng khác nhau trước sự thay đổi của môi trường (năm, vụ gieo trồng, địa phương...). Một giống có năng suất cao một giống khác trong môi trường này nhưng có thể thấp hơn trong một môi trường khác. Như vậy tương tác kiểu gene - môi trường làm thay đổi thứ bậc các kiểu gene hay các giống được đánh giá trong các điều kiện khác nhau. Chính điều này gây khó khăn cho nhà chọn giống trong việc xác định tính ưu việt của các giống được đánh giá. Vì vậy việc tính toán mức độ tương quan là rất quan trọng để xác định chiến lược chọn giống tối ưu và đưa ra các giống có khả năng thích nghi thoả đáng với môi trường gieo trồng được dự định. Có bốn mô hình thống kê được sử dụng để đánh giá tính ổn định các tính trạng nông học của các kiểu gene (hoặc là một bộ giống hoặc là các dòng) có triển vọng: (1) Phương pháp phân tích phương sai; (2) phương pháp phân tích hồi quy; (3) phương pháp thống kê tham số; và (4) phương pháp phân tích nhiều biến. Dưới đây chỉ đề cập đến hai phương pháp phổ biến là phân tích phương sai và phân tích hồi quy. 3.1. Phân tích phương sai Phân tích phương sai dựa vào sự đóng góp khác nhau của các kiểu gene khác nhau vào thành phần tương tác. Vì vậy để xác định mức độ tương tác kiểu gene - môi trường các kiểu gene (giống, dòng, gia đình...) được đánh giá trong môi trường khác nhau. Môi trường bao gồm mọi yếu tố ảnh hưởng hay liên quan tới sinh trưởng và phát triển của cây. Allard (1976) phân loại các yếu tố môi trường thành hai nhóm yếu tố có thể dự đoán và không thể dự đoán. Các yếu tố có thể dự đoán xảy ra một cách hệ thống và con người có thể kiểm soát được như: loại đất, thời vụ gieo trồng mật độ và lượng phân bón. Ngược lại, các yếu tố không thể
53 dự đoán thì luôn biến động, không ổn định như: lượng mưa, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. Khi có tương tác kiểu gene - môi trường (GE) thì giá trị kiểu hình bằng tổng của ba thành phần như sau: P = G + E + GE và phương sai kiểu hình tương ứng được chia thành ba thành phần là: σ P = σ G + σ E + σ GE 2 2 2 2 Giống như σ E , đại lượng σ GE là thành phần không di truyền của 2 2 phương sai kiểu hình. Nếu thí nghiệm được đánh giá ở nhiều điều kiện môi trường (lặp lại theo địa điểm và mùa vụ/năm) thì phân tích phương sai có thể dựa vào Bảng 3.3 dưới đây. Bảng 3.3: Mô hình phân tích phương sai ngẫu nhiên cho thí nghiệm lặp lại ở nhiều điểm và nhiều năm (theo Nguyễn Văn Hiển và cs - 2000). Nguồn Số bậc tự do BPTB Bình phương trung bình (BPTB) kỳ vọng Năm (N) y-1 - Điểm (Đ) l-1 - Lặp lại/Đ/N ly(r-1) - N×Đ (y-1)(l-1) - σ e2 + rσ gyl + rlσ gy + ryσ gl + rylσ g K.gene (KG) g-1 M S5 2 2 2 2 σ e2 + rσ gyl + rlσ gy KG × N (g-1)(y-1) MS 4 2 2 σ e2 + rσ gyl + ryσ gl KG × Đ (g-1)(l-1) MS 3 2 2 σ e2 + rσ gyl KG × N × Đ (g-1)(y-1)(l-1) MS 2 2 σ e2 Sai số yl(g-1)(r-1) MS 1 *Ghi chú: r là số lần lặp lại; g - kiểu gen; y - số năm (vụ); l - số điểm. Mô hình thống kê đối với giá trị kiểu hình (ví dụ năng suất, Yield) của kiểu gene thứ i trong môi trường thứ j có thể biểu diễn như sau: Yij = μ + gi + mj + (gm)ij + eij trong đó: μ - trung bình của tất cả các kiểu gene trong các môi trường; gi - ảnh hưởng của kiểu gene thứ i;
54 mj - ảnh hưởng của môi trường thứ j; (gm)ij - tương tác của kiểu gene thứ i và môi trường thứ j; eij - sai số gắn với kiểu gene i và môi trường j. Đối với các thí nghiệm lặp lại ở nhiều địa điểm và nhiều năm khác nhau thì các thành phần phương sai được xác định như sau: MS 5 − MS 4 − MS 2 Sg = 2 ryl MS 4 − MS 2 σ gy = 2 rl MS 3 − MS 2 σ gl = 2 ry MS 2 − MS1 σ gyl = 2 r σ e2 = MS 1 Khi đó hệ số di truyền được tính theo công thức sau: σg 2 h2 = σ g + (σ gy / y ) + (σ gl / l ) + (σ gyl / yl ) + (σ e2 / ryl ) 2 2 2 2 3.2. Phân tích hồi quy và tính ổn định Tính ổn định về năng suất hay các đặc điểm nông học khác của một giống trong các điều kiện môi trường khác nhau là một chỉ tiêu quan trọng trong chương trình chọn giống. Có những giống có thể thích nghi với phạm vi môi trường rộng trong khi một số giống khác chỉ thích nghi với phổ môi trường khá hẹp. Tính ổn định về năng suất trong các điều kiện môi trường chịu ảnh hưởng của các kiểu gene cá thể và quan hệ di truyền giữa các cá thể trong một quần thể hay một giống. Trạng thái nội cân bằng (homeostasis) và tính đệm (buffering) được dùng để mô tả tính ổn định của các cá thể hay một nhóm cây trồng. Trên thực tế, các cá thể dị hợp tử (ví dụ các con lai F1) ổn định hơn các bố mẹ đồng hợp tử do chúng có khả năng chống chịu tốt hơn trước những điều kiện bất lợi. Để do tính ổn định thông qua các tham số thống kê, nhiều nhà nghiên cứu đã dùng phương pháp phân tích hồi quy. Một nhóm kiểu gene được đánh giá trong một phạm vi môi trường nhất định. Giá trị trung bình về năng suất hay bất kỳ một tính trạng nào khác của các kiểu gene ở mỗi môi trường được gọi là chỉ số môi trường. Năng suất của mỗi kiểu gene được
55 hồi quy với chỉ số môi trường tương ứng được dùng để đánh giá phản ứng của các kiểu gene với môi trường thay đổi và ước lượng độ lệch so với đường hồi quy (Eberhart và Russel, 1966). Một kiểu gene mong muốn là kiểu gene có năng suất trung bình cao, hệ số hồi quy bằng 1, và độ lệch so với đường hồi quy bằng 0. Mô hình thống kê như sau: Yij = μ + biIj + δij trong đó: μ - trung bình của tất cả các kiểu gene trong tất cả môi trường; Yij - giá trị của kiểu gene thứ i trong môi trường thứ j; bi - hệ số hồi quy của giống thứ i với chỉ số môi trường; Ij - chỉ số môi trường. Hệ số hồi quy được xác định theo công thức: bi = ∑ (Yij I j ) / ∑ I 2 j j j trong đó: Ij là chỉ số môi trường và bằng: I j = (∑ Yij / g ) − (∑ ∑ Yij / gl ) i i j ⎡ ⎤ [ ] Độ lệch so với đương hồi quy là: S di = ⎢(∑ δ ij2 ) /( g − 2)⎥ − (σ e2 / r ) 2 ⎣j ⎦ ⎡ ⎤⎡ ⎤ ∑δ = ⎢∑ Yij2 − (Yi 2 / I )⎥ − ⎢∑ (Yij I 2 ) / ∑ I 2 ⎥ 2 trong đó: ij j j ⎣j ⎦ ⎣j ⎦ Ghi chú: Có thể tham khảo thêm trong Bài giảng về "Di truyền học quần thể và số lượng" của Bruce Walsh (2006). 4. Một số nhận xét về các mối quan hệ giữa kiểu gene và kiểu hình • Thường biến và mức phản ứng Đối với các tính trạng số lượng, sự biểu hiện ở kiểu hình của một kiểu gene nào đó rõ ràng là tùy thuộc của các nhân tố môi trường, tức là tùy thuộc tùy thuộc vào độ thâm nhập và độ biểu hiện của kiểu gene đó (sẽ được đề cập dưới đây). Hay nói cách khác, kiểu hình là kết quả của sự tương tác giữa kiểu gene và môi trường. Trong một tình huống lý tưởng, phạm vi tác dụng của môi trường lên một kiểu gene nào đó có thể xác định được bằng cách quan sát kiểu hình của các cá thể giống nhau về mặt di truyền được nuôi dưỡng chăm sóc trong các môi trường khác nhau. Ở người, các cặp sinh đôi cùng trứng được tách nuôi riêng lúc sơ sinh đã chứng minh cho một tình huồng như vậy. Tuy nhiên, những chỉ dẫn tốt nhất về các tác dụng của môi trưòng bắt nguồn từ các nghiên cứu ở loài mà có thể nuôi trồng với số lượng lớn trên các môi trường được kiểm soát.
56 Thí dụ kinh điển cho nghiên cứu như vậy được J.Clausen và các cộng sự tiến hành trong thập niên 1940. Để xác định hiệu quả của môi trường lên các kiểu hình, các nhà nghiên cứu này đã trồng các dòng (clones), tức gồm các cá thể giống nhau về mặt di truyền, cắt theo các vĩ độ khác nhau. Chẳng hạn, họ đã thu thập loài thuộc họ hoa hồng là Potentilla glandulosa từ ba vùng: phạm vi ven bờ biển Thái Bình Dương ở vĩ độ 100 mét; vùng lưng chừng dãy núi Sierras ở vĩ độ 1.400 mét (ngọn Mather); và ở độ cao 3.040 mét của dãy Sierras (ngọn Timberline). Từ các mẫu này, họ tạo ra được các dòng bằng cách nhân giống sinh dưỡng và đem trồng ở ba vùng khác nhau đó. Nói khác đi, mỗi kiểu gene thu được từ một trong ba vùng đó được đưa trồng ở cả ba điều kiện môi trường (ứng với các vĩ độ) khác nhau. Từ thí nghiệm này cho thấy rằng dường như cả hai nhân tố di truyền và môi trường đều quan trọng trong việc xác định sự sinh trưởng của cây. Thí dụ, các kiểu gene vùng ven bờ sinh trưởng tốt ở cả vĩ độ thấp và trung bình nhưng nhưng không thể sống được ở vĩ độ cao. Điều đó chỉ ra tầm quan trọng của các nhân tố di truyền. Cách thức mà kiểu hình thuộc một kiểu gene nào đó thay đổi theo môi trường của nó được gọi là mức phản ứng (norm of reaction). Các mức phản ứng có thể sai khác rất lớn trong số các kiểu gene đối với các tính trạng liên quan đến tập tính hay hành vi (behaviour). Dù cho đến nay ta không hề xem tập tính hay hành vi như là một kiểu hình, thế nhưng một số các gene đột biến có ảnh hưởng lên tập tính hay hành vi. Chẳng hạn, các cá thể bị bệnh PKU không được điều trị thì có các chỉ số IQ thấp hơn bình thường; IQ là một tính trạng có thể đo được bằng trắc nghiệm IQ. Tóm lại, mối quan hệ giữa kiểu gene và kiểu hình là phức tạp, không dễ gì căn cứ vào kiểu hình để xác định kiểu gene. Mức phản ứng trên các môi trường khác nhau là một cách để định lượng mối quan hệ đó. • Độ thâm nhập hay độ ngoại hiện (penetrance) và độ biểu hiện (expressivity) Để đánh giá mức độ thể hiện ra kiểu hình của các kiểu gene như thế, năm 1925 Timofeev-Rissovsky đã nêu lên hai khái niệm: độ thâm nhập và độ biểu hiện của gene. Chẳng hạn, các gene xác định các tính trạng ở đậu Hà Lan, các kiểu nhóm máu và nhiều bệnh di truyền ở người đều cho thấy một kiểu hầu như chắc chắn. Tuy nhiên, đối với một số gene, thì một kiểu gene nào đó có thể hoặc không thể cho thấy một kiểu hình nào đó. Hiện tượng này được gọi là độ thâm nhập (penetrance) của một gene. Mức độ thâm nhập (level of penetrance) này có thể tính bằng tỷ lệ của các cá thể mang một kiểu gene nào đó bộc lộ ra một kiểu hình cụ thể. Khi tất cả các cá thể của một
57 kiểu gene cụ thể có cùng kiểu hình như nhau, thì gene đó cho thấy độ thâm nhập hoàn toàn và mức độ thâm nhập này được coi là bằng 1. Mặt khác, gene được coi là thâm nhập không hoàn toàn và mức thâm nhập cụ thể có thể tính được. Chẳng hạn, trong số 160 cá thể thuộc một kiểu gene nào đó có 30 cá thể biểu hiện một kiểu hình bị bệnh, thì mức độ thâm nhập là 30/160 = 0,1875; nghĩa là gene đó chỉ thể hiện ra được kiểu hình có 18,75%. Như vậy sự có mặt của độ thâm nhập không hoàn toàn tại một gene có thể khiến cho một kiểu hình tính trạng trội (giả sử kiểu gene là Aa) bị ngắt quãng một thế hệ trong một phả hệ, rồi lại xuất hiện trở lại ở thế hệ tiếp theo. Đó là do allele trội thâm nhập không hoàn toàn. Chẳng hạn, dạng trội của nguyên bào lưới (retinoblastoma), một bệnh gây các u ác tính ở mắt trẻ em, chỉ thâm nhập khoảng 90%. Ngoài ra, một kiểu gene cụ thể nào đó bộc lộ ra kiểu hình kỳ vọng, tức mức độ biểu hiện (level of expression) hay độ biểu hiện (expressivity), có thể sai khác đi. Chẳng hạn, mặc dù một gene gây ra một bệnh có thể phát hiện được ở hầu hết các cá thể mang một kiểu gene nào đó, nhưng một số cá thể có thể bị ảnh hưởng nặng hơn các cá thể khác. Bệnh Huntington ở người là một tính trạng cho thấy độ biểu hiện biến thiên sai khác theo độ tuổi phát bệnh. Bệnh này nói chung xảy ra ở độ tuổi bắt đầu trung nên, với tuổi trung bình bắt đầu phát bệnh là trên 30 tuổi, nhưng đôi khi có thể xảy ra rất sớm ở tuổi chưa lên 10 hoặc ở một người già hơn. Một số người mang kiểu gene bệnh này chết vì những nguyên nhân khác trước khi bệnh biểu hiện, do độ thâm nhập không hoàn toàn cũng như độ biểu hiện biến thiên đối với gene đó gây ra. • Môi trường và các gene gây chết có điều kiện Vấn đề đặt ra là cái gì là nguyên nhân của độ thâm nhập không hoàn toàn và độ biểu hiện sai khác? Trong một số trường hợp cụ thể, thường thì không thể xác định được nguyên nhân, nhưng cả môi trường và các gene khác cũng được coi là có ảnh hưởng lên độ thâm nhập và độ biểu hiện của một gene. Ví dụ, ở ruồi giấm, các allele của một số gene tác động lên sức sống và có thể gây chết ở nhiệt độ tăng cao trên 28oC nhưng lại ảnh hưởng chút ít hoặc không ảnh hởng ở nhiệt độ thấp hơn. Các gene như thế gọi là các gene gây chết có điều kiện (conditional lethals); nói chung chúng cho thấy các hiệu quả gây chết trong các tình huống môi trường cực đoan. Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng mạnh mẽ lên kiểu hình của các thực vật. Chẳng hạn, cây anh thảo có hoa đỏ khi trồng ở 24oC nhưng lại có hoa trắng khi trồng ở nhiệt độ trên 32oC. • Các gene sửa đổi và hiện tượng sao hình Nói chung, mức độ biểu hiện của một tính trạng giữa các cá thể có
58 quan hệ họ hàng thường giống nhau hơn là giữa các cá thể không có quan hệ họ hàng, khi cả hai nhóm cá thể đó được nuôi dưỡng chăm sóc trong những môi trường gần giống như nhau. Các gene có ảnh hưởng thứ cấp lên một tính trạng như thế gọi là các gene sửa đổi (modifier/modifying gene) và chúng có thể gây ảnh hưởng lên kiểu hình một cách đáng kể. Nói cách khác, các gene sửa đổi là những gene gây biến đổi các gene khác trong khi chúng biểu hiện ra kiểu hình. Một hiện tượng liên quan gọi là sao hình (phenocopy), xảy ra khi các nhân tố môi trường gây ra một kiểu hình cụ thể mà thông thường được xác định về mặt di truyền. Trong trường hợp này, một môi trường cực đoan có thể làm gián đoạn sự phát triển bình thường bằng một kiểu tựa như của một gene đột biến. Câu hỏi ôn tập 1. Hãy chỉ ra các mối quan hệ giữa gene và tính trạng. Phân biệt các kiểu tương tác giữa các gene không allele lên sự hình thành một tính trạng. 2. Đặc trưng của các tính trạng số lượng là gì? Phân biệt các cặp khái niệm sau: Tính trạng số lượng và tính trạng chất lượng; độ thâm nhập và độ biểu hiện; tương tác giữa các gene allele và các gene không allele. 3. Khi lai hai giống ngô thuần chủng có 20 dãy hạt và 8 dãy hạt, tất cả bắp ngô F1 đều có 14 dãy hạt, và ở F2 có bảy kiểu hình khác nhau: 20, 18, 16, 14, 12, 10 và 8 (dãy hạt) với số lượng thống kê tương ứng là 40 : 245 : 594 : 793 : 603 : 236 : 38 (bắp). Phương thức di truyền của tính trạng trên là gì? Giải thích, trình bày sơ đồ lai, và minh hoạ kết quả F2 bằng một đồ thị. Hãy rút ra quy luật chung về sự di truyền của loại tính trạng này và chỉ ra cách xác định tỷ lệ kiểu hình kỳ vọng ở F2 đối với trường hợp một tính trạng được kiểm soát bởi n locus độc lập. 4. Hệ số di truyền là gì? Nêu ý nghĩa của hệ số di truyền trong chọn giống thực vật và cho ví dụ. 5. Trình bày các phương pháp phân tích phương sai di truyền, phân tích hồi quy và tính ổn định về năng suất của một giống trong các điều kiện môi trường khác nhau. 6. Bằng các ví dụ khác nhau, anh (chị) hãy phân tích để làm sáng tỏ mệnh đề sau: "Kiểu hình là kết quả của sự tương tác giữa kiểu gene và môi trường".
59 Tài liệu Tham khảo Tiếng Việt Trần Văn Diễn và Tô Cẩm Tú. 1995. Di truyền số lượng (Giáo trình cao học Nông nghiệp). NXB Nông Nghiệp, Hà Nội. Dubinin NP. 1981. Di truyền học đại cương (bản dịch của Trần đình Miên và Phan Cự Nhân). NXB Nông Nghiệp, Hà Nội. Phan Hiếu Hiền. 2001. Phương pháp bố trí thí nghiệm và xử lý số liệu (Thống kê thực nghiệm). NXB Nông Nghiệp Tp.Hồ Chí Minh. Nguyễn Văn Hiển (chủ biên, 2000): Chọn giống cây trồng. NXB Giáo Dục, Hà Nội. Phạm Thành Hổ (2000): Di truyền học (tái bản lần thứ 2). NXB Giáo Dục. Trần Đình Long (chủ biên, 1997): Chọn giống cây trồng (Giáo trình cao học nông nghiệp). NXB Nông nghiệp, Hà Nội. Phan Cự Nhân (chủ biên), Nguyễn Minh Công, Đặng Hữu Lanh. 1999. Di truyền học. NXB Giáo Dục, Hà Nội.Trần Duy Quý (1997): Các phương pháp mới trong chọn tạo giống cây trồng. NXB NN. Tiếng Anh Allard RW. 1976. Principles of plant breeding. John Wiley & Son, Inc., New York. Walsh B. 2006. Basic population and Quantitative genetics (Lecture 3), pp.1-8, June 2006. University of Aarhus. Chopra, V.L. (Ed., 1989): Plant Breeding: Theory and Practice. Oxford & IBH Publishing Co. PVT, Ltd. Falconer D.S. and Mackay T.F.C. (1996): Introduction to Quantitative Genetics. 4th edn. Longman Group, Harlow. Hartl D.L., Freifelder D. and Snyder L.A. (1988): Basic Genetics. Jones and Bartlett Publishers, Inc., Boston - Portola Valley. Hayward, M.D., N.O. Bosemark and I. Ramagosa, Coordinating ed. M.C. Cerezo (1994): Plant Breeding: Principles and Prospects. 2nd ed. Chapman & Hall, London-Glasgow-Weinheim-New York-Tokyo-Melbourne- Madras. Murray, D.R. (1991): Advanced Methods in Plant Breeding and Biotechnology. C-A-B International Publisher, London. Weaver R.F. and Hedrick P.W. (1997): Genetics. 3rd edn. Wm.C.Browm Publishers, Dubuque, Iowa.
60 Chương 4 Cơ sở Di truyền của Chọn giống Ưu thế lai I. Khái niệm và những biểu hiện của ưu thế lai ở thực vật 1. Khái niệm về hiện tượng ưu thế lai Ưu thế lai (heterossis) là thuật ngữ do nhà chọn giống ngô G.H.Shull (Mỹ) đưa ra năm 1914 để chỉ hiệu quả lai biểu hiện vượt trội về sức sinh trưởng, sinh sản và chống chịu của con lai ở thế hệ thứ nhất so với các dạng bố mẹ của chúng. Hiện tượng này thể hiện rất rõ ở những con lai thu được từ sự giao phối giữa các dòng tự phối với nhau. Hình 4.1 A - Lúa mỳ (Triticum aestivum); B - Lúa mạch đen (Secale cereale), và C - Lúa mỳ lai Triticale (Triticosecale) giữa A và B. Hiện tượng ưu thế lai được nhà khoa học người Đức I.G.Koelreuter (1733 - 1806) phát hiện đầu tiên vào năm 1760 trong các thí nghiệm về lai xa ở cây thuốc lá (Nicotiana paniculata × N. rustica). Sau này, nhiều nhà nghiên cứu khác trong khi tiến hành nghiên cứu lai ở thực vật đã đề cập đến hiện tượng này. Ví dụ điển hình về lai xa ở thực vật là con lai giữa các chi (intergeneric hybrid) thuộc họ Hoà thảo (Poaceae; Hình 4.1): Lúa mỳ Triticum × Lúa mạch đen Secale → Triticale Tuy nhiên, những vấn đề lý luận của hiện tượng ưu thế lai đã được Darwin nêu lên lần đầu tiên trong tác phẩm " Tác dụng của thụ phấn chéo và tự thụ phấn ở giới thực vật". Các nhà chọn giống Mỹ là Beal (1876) và Shull (1908; Hình 4.2A) đã mở đầu cho việc sử dụng hiện tượng ưu thế lai vào thực tế sản xuất bằng
61 các công trình ở ngô (Hình 4.2B) với những con lai đơn giữa dòng có năng suất cao hơn những thứ ban đầu 10 - 15%. Sau này, Jone (1917) là một trong những người đầu tiên đã đề ra việc sử dụng con lai kép giữa dòng ở ngô. So với con lai kép, mặc dầu giá thành hạt giống con lai đơn có cao hơn, nhưng vì nó có độ đồng đều và năng suất cao hơn nên ở nhiều nước như Mỹ chẳng hạn, giống ngô lai đơn vẫn chiếm phần lớn diện tích trồng ngô trong nước. Trung bình ngô lai có sản lượng cao hơn các thứ ngô bình thường 25-30% . Ngoài ra, nó còn có nhiều đặc tính chống chịu khác hơn hẳn bố mẹ như tính chống nóng, chống lạnh, chống đổ, chống sâu bệnh... Hình 4.2 A - George Harison Shuhll trong nhà xanh. B - Kết quả thí nghiệm về ưu thế lai ở ngô (Zea mays). 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 xuất hiện rõ rệt như ở lúa, lúa mì, cà chua v.v. Trong những năm sau đó các nhà chọn giống ở nhiều quốc gia đã thu được hiệu quả ưu thế lai ở các cây trồng khác nhau, như ở lúa (J.W.Jones, 1026) ở cà chua (H.Daxcalov, 1961) và ở hầu hết các cây thụ phấn chéo khác. Ngày nay chương trình chọn giống ưu thế lai siêu cao sản được nhiều nước quan tâm. Chẳng hạn các nhà chọn giống ngô ở Mỹ đã tạo ra các tổ hợp lai đạt năng suất cao hơn 25 tấn /ha/vụ. Các nhà chọn giống lúa lai Trung Quốc tạo được tổ hợp lúa lai hệ "2 dòng" có năng suất cao tới 17 tấn /ha/vụ. Giống mía ưu thế lai ROC 20 của Đài Loan đạt năng suất 320 tấn mía cây/ha với hàm lượng đường 15% hay 48 tấn đường/ha/vụ. Nhiều giống ưu thế lai năng suất siêu cao, chất lượng tốt cũng đã được tạo ra ở cà chua, bắp cải, hành tây, khoai tây v.v. 2. Những biểu hiện của ưu thế lai ở thực vật
62 Để tiện lợi cho việc sử dụng ưu thế lai và tạo ra các giống ưu thế lai phục vụ sản xuất người ta chia ưu thế lai theo sự biểu hiện và theo quan điểm sử dụng. Chẳng hạn: Ưu thế lai sinh sản là loại ưu thế lai quan trọng hàng đầu. Các cơ quan sinh sản như hoa, quả, hạt phát triển mạnh, số hoa quả nhiều, độ hữu dục cao dẫn đến năng suất cao hơn. Ưu thế lai sinh dưỡng: Các cơ quan sinh dưỡng như thân, rễ, cành, lá đều sinh trưởng mạnh làm cho cây lai có nhiều cành, nhánh, thân cao to, lá lớn, nhiều rễ, nhiều củ... Đó là các tính trạng có lợi cho chọn tạo giống; đặc biệt là ở những loài cây trồng sử dụng các bộ phận sinh dưỡng như thân, lá, củ... Ưu thế lai thích ứng là ưu thế lai do sự tăng sức sống, tăng tính chống chịu với sâu, bệnh, với các điều kiện ngoại cảnh bất thuận như rét, úng, chua, mặn, phèn... Ưu thế lai tích luỹ là sự tăng cường tích luỹ các chất với hàm lượng cao ở các bộ phận của cây như: tinh bột ở củ, protein và dầu ở hạt, đường ở thân, các ester ở lá v.v. II. Các phương pháp xác định mức độ biểu hiện ưu thế lai Đối với mỗi giai đoạn chọn tạo giống, nhất thiết phải xác định mức biểu hiện ưu thế lai để có cách đánh giá cụ thể và chính xác con lai. Các công thức tính ưu thế lai Sinha & Khanna (1974) và Omapop (1975) đã nêu ra các công thức tính cho các dạng ưu thế lai sau đây: • Ưu thế lai giả định hay ƯTL trung bình (Heterosis; Hm hay HMP): Được sử dụng trong giai đoạn lai thử. Con lai biểu hiện sự hơn hẳn ở tính trạng nghiên cứu so với số đo trung bình của bố mẹ ở cùng tính trạng. 1 F1 − ( P1 + P2 ) 2 H m (%) = × 100 1 ( P1 + P2 ) 2 trong đó: Hm : ưu thế lai giả định hay ưu thế lai trung bình; F1 : số đo trung bình của tính trạng ở con lai F1; P1 : số đo trung bình của tính trạng ở P1 (mẹ); P2 : số đo trung bình của tính trạng ở P2 (bố). Ưu thế lai thực (Heterobeltiosis)
63 Được sử dụng trong giai đoạn lai lại và đánh giá con lai. Con lai biểu hiện sự hơn hẳn trên tính trạng nghiên cứu so với bố mẹ có số đo cao nhất. F1 − Pb H b (%) = × 100 Pb trong đó: Hb (%): ưu thế lai thực; F1 : số đo của tính trạng ở con lai F1; Pb : số đo tính trạng ở bố hoặc mẹ cao nhất. • Ưu thế lai chuẩn (Standard heterosis) Được sử dụng để đánh giá các tổ hợp lai tốt. Con lai biểu hiện sự hơn hẳn trên tính trạng nghiên cứu (đặc biệt là năng suất) so với một giống đang phổ biến rộng trong vùng (giống chuẩn) mà giống lai định thay thế. F1 − S H s (%) = × 100 S trong đó: Hs(%): ưu thế lai chuẩn; F1 : số đo của tính trạng ở con lai F1; S : số đo của tính trạng ở giống chuẩn. III. Sử dụng các dòng tự phối trong chọn giống ưu thế lai 1. Khái niệm về dòng tự phối Dòng tự phối là thế hệ thu được do sự tự thụ phấn nhân tạo qua một số thế hệ ở các dạng cây giao phấn. Qua nghiên cứu di truyền học các dòng tự phối, người ta đã đi đến các kết luận sau: (i) Dòng tự phối là phương pháp có hiệu quả để khám phá ra tính đa dạng về mặt di truyền của loài, thứ... Ban đầu tự phối đưa đến sự phân ly phức tạp và sự đa dạng của các cá thể. Tuy nhiên về sau, qua một số thế hệ thì chúng ổn đinh, đồng đều dần về mặt di truyền và có những đặc trưng riêng và khác với những dòng khác. (ii) Việc ổn định này xảy ra phụ thuộc vào mức độ giống nhau giữa các cá thể giao phối. Ở ngô, với mức độ cực đại, trải qua quá trình tự phối 6 - 7 thế hệ mới cho phép thu được dòng thuần. (iii) Những cây trong cùng một dòng có sự giống nhau sâu sắc về mặt di truyền là đặc tính cơ bản của dòng thuần. Các cây trong phạm vi một dòng giữ vững đặc tính của chúng qua nhiều thế hệ. (iv) Ở cây giao phấn, sự giao phối gần dẫn đến những sự suy thoái
64 nhất định. Vì lẽ đó mà các dòng tự phối có sức sống không cao và năng suất thấp. Nhưng con lai thu được giữa các dòng tự phối thì lại có ưu thế lai và sản lượng cao. Tuy nhiên, cần đặc biệt chú ý là hiện tượng này chỉ thể hiện rõ ràng nhất ở thế hệ F1. Các cá thể sản sinh ra từ F1 và sau đấy nữa bằng con đường tự thụ phấn và kể cả giao phấn lại có sức sống và sản lượng giảm dần. Nên trong thực tế rất ít khi người ta dùng con lai ở F2, F3 v.v. Bây giờ ta hãy xét trường hợp cụ thể ở ngô. Năm 1905, lần đầu tiên Shull thu được ngô lai giữa dòng có sản lượng cao và ưu thế lai rõ rệt. Nhưng hiện tượng ấy chỉ đặc trưng cho F1 và đến F2 thì sản lượng giảm 35% và đến F3 chỉ còn 50%. Để tính sản lượng của F2 đối với con lai đơn và con lai kép, Sewall Wright đưa ra công thức sau: F1 − P F2 = F1 − n trong đó: F2 : sản lượng trung bình của F2; F1 : sản lượng trung bình của F1; P : sản lượng trung bình của dòng tự phối bố mẹ; n: số lượng dòng tự phối. Hệ quả của tự phối Trong quá trình tạo thành các kiểu gene đồng hợp tử, các gene lặn trước kia bị các gene trội lấn át nay ở dạng đồng hợp tử nên biểu hiện ra kiểu hình. Kết quả là sức sống của cây tự phối bị suy giảm, năng suất thấp và nhiều dạng dị hình xuất hiện. Ở thế hệ nội phối I1 (inbreeding), quan sát thấy có sự phân ly mạnh, quần thể trở nên đa dạng. Sự suy giảm sức sống xảy ra ít hơn khi cho thụ phấn bằng các cây chị em. Tuy nhiên, cùng với các thể đồng hợp tử lặn cũng thu được các thể đồng hợp tử trội; và không hẳn tất cả các gene lặn đều có hại. Do đó, bên cạnh việc giảm sức sống, giảm số đo tính trạng thì cũng thu được các dòng tự phối có các tính trạng kinh tế quý để sử dụng cho các tổ hợp lai về sau. Khi tự phối, sẽ xảy ra sự phân ly và giảm sức sống nhưng không phải là vô giới hạn. Khi các cây tự phối đạt đến trạng thái đồng hợp tử thì sự suy giảm dừng lại, không còn phân ly nữa. Các cá thể sinh ra từ cây đồng hợp tử sẽ rất đồng đều về kiểu hình, lúc này ta có một dòng tự phối và cây tự phối đã đạt trị số tự phối tối thiểu (inbreeding minimum). 2. Phương pháp tạo dòng tự phối
65 2.1. Chọn vật liệu ban đầu để tạo dòng tự phối Cây giao phấn có đặc điểm di truyền nổi bật là các cá thể trong quần thể hầu như ở trạng thái dị hợp tử; vì thế đem lai giữa hai quần thể ngẫu phối với nhau thì không thể đạt được tỉ lệ dị hợp tử cao. Mặt khác, các gene lặn nay ở trạng thái đồng hợp tử sẽ phát huy tác dụng làm sức sống của con lai không cao, các gene này cần được loại bỏ khỏi các dạng bố mẹ trong các tổ hợp lai. Để có thể đạt được cơ may cao nhất cho khả năng tạo ra con lai dị hợp tử mà lại chứa rất ít gene lặn có hại thì các dạng làm bố mẹ phải là các dòng đồng hợp tử. Và việc tạo ra các dòng tự phối ở cây giao phấn làm bố mẹ cho các tổ hợp lai đáp ứng được mục tiêu đề ra. Các vật liệu được chọn để tạo các dòng tự phối cần đạt yêu cầu là tạo ra các dòng tự phối có phổ di truyền rộng và khác nhau càng nhiều càng tốt. Các dòng tự phối còn phải có khả năng chống bệnh, thích ứng với các điều kiện ngoại cảnh bất thuận để bổ sung cho con lai. Như vậy, các quần thể địa phương cách xa nhau về mặt địa lý - sinh thái, các giống tổng hợp, các giống lai có năng suất cao, tính chống chịu tốt là những nguồn vật liệu quý để phát triển các dòng tự phối. Trong quá trình tạo dòng tự phối người ta liên tục bổ sung tính trạng cho vật liệu chọn làm dòng tự phối. Bằng cách đó, ở Mỹ và Mexico, người ta đã tạo ra được các dòng tự phối có khả năng cho ưu thế lai cao mà bản thân các dòng này cũng cho năng suất cao gần bằng các giống lai hỗn hợp (composite). 2.2. Các phương pháp tạo dòng tự phối Có ba phương pháp cơ bản để tạo dòng tự phối ở ngô. (i) Phương pháp chuẩn: Chọn các cây khoẻ mạnh và điển hình cho quần thể vật liệu ban đầu, rồi cho tự phối bằng phương pháp cách ly. Các bắp tốt được chọn lựa và gieo theo kiểu bắp/hàng. Sự chọn lọc được lặp lại như vậy ở các thế hệ tiếp theo. (ii) Phương pháp hốc đơn: Đây là một biến dạng của phương pháp chuẩn; hàng được thay thế bằng hốc đơn ba cây trong mỗi chu kỳ chọn lọc. Vì thế, phương pháp này có ưu điểm là cho phép đánh giá được số lượng thế hệ nhiều hơn trên cùng một đơn vị diện tích, nhưng lại hạn chế về khả năng chọn lọc trong mỗi thế hệ. (iii) Phương pháp tạo các dòng lưỡng bội đồng hợp tử bằng kỹ thuật nuôi cấy hạt phấn in vitro kết hợp với phương pháp gây đa bội hoá có sử dụng hoá chất colchicine. Sau khi cho tự phối 5-6 thế hệ, các dòng thu được phải đồng đều về mọi tính trạng, như: chiều cao cây, hình thái hạt, màu sắc cờ... Khi cho giao phấn giữa các cây trong cùng một dòng, nếu ở thế hệ sau không có gì
66 sai khác với các cây giao phối ban đầu thì dòng ấy coi như đã thuần. Và nếu đem lai 2 dòng tự phối với nhau, ta thu được con lai đơn giữa dòng. Còn nếu cho lai giữa 2 con lai đơn với nhau sẽ cho con lai kép giữa dòng. Tuy nhiên, để tạo ra 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 trình tạo con lai phải là những dòng thuộc những thứ khác nhau. Chẳng hạn, để tạo ra một con lai kép (xem Hình 4.3) cần 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 (A1 x A2) x (A3 x A4), thì con lai kép có ưu thế lai rất thấp. Muốn cho quá trình sản xuất hạt lai có kết quả cần nghiên cứu về thời gian tự phối để có được dòng đồng hợp tử và phương pháp đánh giá nhanh về giá trị mỗi dòng. Việc xác định giá trị của mỗi dòng chính là đánh giá khả năng kết hợp (combining ability; viết tắt là: KNKH) của chúng. 3. Phương pháp xác định các khả năng kết hợp chung và riêng của các dòng tự phối 3.1. Nguyên tắc đánh giá KNKH của các dòng tự phối Theo Hallauer và Miranda (1988), chỉ có khoảng 0,01- 0,1 % các dòng thuần được tạo ra là có khả năng cho ra các con lai có ưu thế lai cao. Đó chính là các dòng có KNKH cao. Muốn tìm được các dòng đó phải thử KNKH của chúng bằng cách lai thử. Dựa trên sự biểu hiện các tính trạng của con lai để có thể xác định được tiềm năng tạo ưu thế lai của các dòng; và chỉ các dòng cho ưu thế lai cao mới cần 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 năng kết hợp riêng - KNKHR (specific combining ability = SCA) . KNKHC được xác định bằng giá trị trung bình ưu thế lai của tất cả các tổ hợp lai có mẫu tham gia vào lai thử. Còn KNKHR là độ lệch của một tổ hợp lai cụ thể nào đó với ưu thế lai trung bình của nó, tức đặc tính của các dòng khi lai với một mẫu thử sinh ra con lai có ưu thế lai hay không. KNKH là một phức hợp tính trạng do nhiều gene kiểm soát. Trong khi KNKHC được kiểm soát bởi kiểu hoạt động di truyền cộng tính (additive) của các gene trội, nên khá ổn định dưới tác động của các yếu tố môi trường ngoài, thì KNKHR lại được xác định bởi các kiểu hoạt động mang tính trội (dominant), át chế (epistasis) hay siêu trội (over-dominant) của các gene 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 vài vụ
67 ở các 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 bỏ các dòng một cách quá chặt chẽ thì đôi khi có thể để mất một số dòng có giá trị về sau. Có nhiều quan điểm khác nhau về thời gian thích hợp cho việc tiến hành thử KNKH. Một số nhà nghiên cứu cho rằng, KNKH là một đặc tính di truyền, được thể hiện khá sớm nên có thể thử KNKHC từ thế hệ tự phối I1, I2, thậm chí ngay cả vật liệu khởi đầu, và thử KNKHR sau đó đối với các dòng có KNKHC cao (Sprague 1946; Cao Đắc Điềm 1988). Bauman (1981) và nhiều nhà chọn giống Mỹ lại cho rằng, ở các thế hệ sớm như I1, I2, I3 có thể chọn các dòng tương đối thuần chủng thông qua đánh giá bằng mắt, còn việc thử KNKH chỉ nên làm ở thế hệ I4 hoặc muộn hơn. 3.2. Các phương pháp thử KNKH Để đánh giá KNKH, người ta thường sử dụng hai hệ thống lai thử là lai đỉnh (top cross) và luân giao hay lai diallel (diallel cross). • Đánh giá KNKHC bằng phương pháp lai đỉnh Phương pháp lai đỉnh do Davis (1927), Jenkins và Bruce (1932) đề xướng, dùng để đánh giá KNKHC bằng cách đem các dòng tự phối hoặc giống định thử, lai với dạng cây mà ta đã biết rõ nhiều đặc tính về mặt di truyền và nông-sinh học quan trọng của nó, gọi là dạng thử (tester). Để tăng tính hiệu quả các của thí nghiệm, có thể sử dụng một số dạng thử khác nhau. Lai đỉnh là một phương pháp có hiệu quả đựơc sử dụng trong giai đoạn đầu của quá trình tạo dòng tự phối khi số lượng dòng còn rất lớn. Tuy nhiên, trong hệ thống lai đỉnh có một vấn đề quan trọng là phải chọn cho được dạng thử thích hợp. Nếu dạng thử có KNKH cao thì khả năng thành công sẽ lớn hơn so với trường hợp KNKH trung bình hoặc thấp. Dạng thử có thể có nền di truyền rộng (giống thụ phấn tự do, giống lai kép hay giống tổng hợp), hoặc có nền di truyền hẹp (dòng thuần hay giống lai đơn). Khi dạng thử có nền di truyền rộng thì kết quả thu được sẽ thấy rõ hơn sự khác biệt giữa các dòng đem thử, và việc đánh giá dòng sẽ dễ dàng hơn (Matzinger, 1953). Mặt khác, nếu sử dụng đồng thời hai dạng thử: một dạng có nền di truyền rộng và một dạng có nền di truyền hẹp, thì sẽ rất có lợi trong việc vừa xác định KNKH của dòng cần nghiên cứu, vừa có khả năng tạo ra giống nhanh để phục vụ sản xuất. Từ kết quả lai đỉnh, người ta có cơ sở để loại bỏ các dòng không phù hợp yêu cầu và chỉ giữ lại những dòng có 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