Lai giống cây rừng: Phần 1

Chia sẻ: Thu Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cuốn sách "Lai giống cây rừng (Hybridisation of forest trees) cung cấp một cách có hệ thống những kiến thức cơ bản về sinh sản của cây thân gỗ làm cơ sở cho lai giống, đặc điểm cùa giống lai và kỹ thuật lai giống, khảo nghiệm giống và nhân giông các giống lai cây rừng, cũng như một số kết quả nghiên cứu vê sử dụng giống lai tự nhiên và lai tạo giống mới cho các loài cây rừng ở Việt Nam nhờ sự hỗ trợ của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Nội dung sách được tổ chức thành 7 chương, mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Lai giống cây rừng: Phần 1

VIỆN KHOA HỌC LÂM NGHIỆP VIỆT NAM TRUNG TÂM NGHIÊN c ứ u GIỐNG CÂY RỪNG GS.TS. LÊ ĐÌNH KHẢ \m 7 Aa 32 Aa 32 Am 7 ỉ NGUYEN ¡ỌC LIỆU m a n À XUẤT BẢN NÔNG NGHI
LỜI NÓI ĐẦU Lai giống là một trong những phương pháp chủ yếu tạo ra các giống cây nông lâm nghiệp có năng suất cao trên th ế giới. Lai giỏng cây rừng được áp dụng ở Việt Nam ỉrong những núm gần đây dữ góp phấn đưa nãrỉg suất rừng trỏng túng lên đáng kể. Đây là một vấn đề mới trong lâm nghiệp đang được nhiều người quan râm. Cuốn sách này là một cô' gắng đầu tiên cung cấp một cách có hệ ỉhống những kiến thức cơ bản về sinh sản của cây thân gổ làm cơ sở cho lai giống, đặc điểm cùa giống lai và kỹ thuật lai giông, khảo nghiệm giống vả nhân giông các giống lai cây ỉ ừng, cũng như một sô' kết quả nghiên cứu vê sử dụng giống lai tự nhiên vù ỉai tạo giống mới cho các loài cây rừng â V iệt Nam nhờ sự hỗ trợ của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, dự án SAREC về ỉâm nghiệp của Thuỵ Điển, các dự án ACIAR về lâm nghiệp của Australia. Đây là một tài liệu tham khảo cho các nhà chuyên môn, các nghiền cứu sinh và sinh viên ngành Lâtn nghiệp và cho những ai quan tâm đến lĩnh vực lai giống cây rừng. Trong quá trình biên soạn tác giả đã nhận được sự cổ vũ và giúp đỡ tận tình của tập thể cán bộ khoa học và lãnh đạo Trung tâm nghiên cứu giống cây rừtìg (Viện Khoa học lâm nghiệp Việt Nam), những ỷ kiến đóng góp quỷ báu của PGS.TS. Lê Huy Hàm, chityêìì gia trong lĩnh vực công nghệ sinh học, sự giúp đỡ về tư liệu của TS. Chris Harwood Ớ T Ổ chức khoa học và công nghiệp của Australia (CSIRO), cũng như sự động viên của lãnh đạo và các thầy cô giáo Trường Đại học Lâm nghiệp. Nhân dịp này tác giá xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành sự giúp đỡ và cổ vũ quỷ báu này. GS.TS. Lê Đình Khả 3
MỞ ĐẦU 1. KHÁI NIỆM VÀ Ý NGHĨA CỦA GIỐNG LAI TRONG LẢM NGHIỆP Giống lai là giống được tạo ra do lai tự nhiên hoặc lai nhân tạo giữa các cá thể có kiểu gen (genotype) khác nhau. Giống lai thường có năng suất cao và có tính chống chịu với các điều kiện bất lợi tốt hơn bố mẹ. Vì thế, tạo và sử dụng giống lai đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà chọn giống nông lâm nghiệp trên thế giới. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học chọn giống và công nghệ sinh học người ta đã có thể tạo ra nhiều dạng cây trổng mới bằng các con đường khác nhau như gây đột biến, đa bội hoá, biến nạp gen v.v... Song lai giống và chọn lọc cây lai vẫn là phương pháp chủ yếu để tạo ra các giống cây trồng mới có nãng suất cao trên thế giới. Có thể nói hơn một nửa số giống có năng suất cao đang được sử dụng trong sản xuất nông nghiệp là các giống lai, trong lúc giống được chọn tạo bằng các phương pháp khác lại có tỷ lệ thấp hơn nhiều. Mặc dầu lừ năm 1854 Klotzsch (dãn từ Piatnitsky, 1960) đã tạo được giống lai ở Sồi (Quercus sp.,), song do cây rừng có đời sống dài ngày, lâu ra hoa kết quả, chọn tạo và sử dụng giống lai cho cây rừng khó khăn hơn nhiều so với chọn tạo và sử dụng giống lai cho cây nông nghiệp ngắn ngày, nên đến nay trong lâm nghiệp giống lai vẫn ít được sử dụng hơn so với trong nông nghiệp. Đối với cây nông nghiệp ngắn ngày, người ta có thể tạo dòng thuần trước khi lai giống và chọn lọc cây lai trong nhiều thế hệ đổ tạo ra các giống lai ổn định. Người ta cũng có thể tạo ra các dòng bất thu đực làm cơ sở đé’ phát triển giống lai đời thứ nhất vào sản xuất. Song phương pháp này rất khó áp dụng vào việc chọn tạo giống lai cho cây rừng. Chĩnh vì thế mà Golodriga (1960) và Wright (1976) đã cho rằng không có gì ngạc nhiên khi hàng trăm giống lai ở các loài cây gỗ đã được tạo ra, song chỉ một số ít là được sử dụng. Nghiên cứu của Golodriga (1960) về lai giống Nho (Vitis vinifera) đã thấy rằng trong 79 tổ hợp lai với 2844 cây lai được tạo ra chỉ 22 cây là có triển vọng. Còn lai xa địa lý giữa các giống nho thuộc các nhóm sinh thái địa lý khác nhau thì trong 70 tổ hơp lai với 1820 cây lai chỉ có 46 eây là có triển vọng. Trước đây lai giống cây rừng chủ yếu phát triển ở châu Âu thì hiện nay lai giống và giống lai trong lâm nghiệp đang được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới cho các loài cây lá kim và cây lá rộng. Những loài có sử dụng giống lai nhiều nhất là những loài thuộc các chi Thông rụng lá {Larix sp.), Vân sam (Picea sp.ỵ Thông (Pinus sp .\ Lãnh sam (Abies sp.), Sổi (Quercus sp.)t Dương (Popuius sp.), Bạch đàn (Eucalyptus sp.), Keo acacia (Acacia sp.)..v..v. Riêng Brazil cến nãm 1987 đã có 5
hơn 5000 dong vô tính bạch đàn lai được tạo ra với 126 triệu cây hom của giống lai Ecaìyptus uvophyìỉa X E. granáis (Campinhos và Ikemori, 1989). Từ khi kỹ thuật nhân giống sinh dưỡng được phát triển, cho phép sử dụng ưu thế lai đời thứ nhất trực tiếp vào sản xuất thì lai giống và giống lai mới được sử dụng rộng rãi trong lâm nghiệp. VI thế, những giống lai được sử dụng chủ yếu trong lâm nghiệp phần lớn thuộc các loài dễ nhân giống bằng hom như Dương (Popuiiis sp.,), Liễu {Salix spM) và trong những năm gần đây là Bạch đàn (Eucalyptus spM) cùng một số loài cây khác. Trong đó phải kể đến những giống lai nổi tiếng như giống Dương lai Popuỉus X Euramericana I - 214 ở châu Âu, giống Bạch đàn lai Eucalyptus urophyỉỉa X E. granáis ở Brazil. Zobel và Talbert (1984) đã cho rằng "điểm mấu chốt của việc sử dụng thành công trong tương lai của hầu hết các giống lai phụ thuộc vào phương thức nhân giống sinh dưỡng nào sẽ được sử dụng trong sản xuất. Có được hạt lai thường rất khó và đắt". Ngày nay, nhờ sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật nuôi cấy mô tế bào và giâm hom, nhân giống hàng loạt cho cây lai đời íhứ nhất đang được áp dụng rộng rãi trong sản xuất lâm nghiệp, trổng rừng dòng vô tính cho các giống lai đã cho phép tạo tăng thu tối đa cho rừng trồng, sử dụng được các biến dị không luỹ tích (non-additive variation) nhanh chóng cải thiện nguồn giống có sẵn (Evans, Turnbull, 2004), hiện thực hoá tăng thu chất khồ lên 100 % cho các giống bạch đàn lai so với các giống bố mẹ ở Brazil (Assis, 2000). Vì thế sử dụng giống lai trong lâm nghiệp lại càng thuận lợi và có triển vọng áp dụng vào sản xuất hiệu quả nhất trong thời gian nhanh nhất. 2. SỬ DỤNG GIỐNG LAI VÀ TRIỂN VỌNG LAI GIỐNG Ở VIỆT NAM • I ■ Giống lai tự nhiên được phát hiện đầu tiên ở Việt Nam là giống lai tự nhiên giữa Bạch đàn caman {Eucalyptus camaìduỉensis) và Bạch đàn đỏ (£. robusta). Giống lai này được phát hiện vào cuối những nãm 1960 tại các tỉnh miền Bắc có thể tích thân cây gấp 3- 4 lần các loài cây bố mẹ (Lê Đình Khả, 1970). Đáng tiếc là thời kỳ đó kỹ thuật nhân giống hom ở nước ta còn ở mức độ thấp nên giống lai này đã không thể phát triển vào sản xuất. Phát hiện về giống Keo lai tự nhiên (Acacia mangium X A. auriculiformis) trong những năm 1990 cùng những nghiên cứu nhân giống, khảo nghiệm giống trên điện rộng và chọn được các đòng Keo lai có năng suất cao gấp 2-3 lần các giống keo bố mẹ là Keo tai tượng và Keo lá tràm (Lê Đình Khả, 1999, Lê Đình Khả và cộng sự 2001) đã tạo nên một chuyển biến rõ rệt trong công tác giống ở nước ta. Keo lai tự nhiên ở nước ta khổng những có năng suất cao, chất lượng thân cây tốt mà còn có hiệu suất bột giấy lớn, lượng nốt sần ở rỗ cũng cao hơn rất nhiều so với các loài keo bố mẹ, vì thế đây là một trong những giống cây được trồng rộng rãi nhất hiện nay. 6
Mặc dầu mới được phát hiện năm 1993, đến nãm 1995 mới trồng được 160 ha thì đến cuối năm 2004 đã có hơn 100.000 ha được trồng trong cả nước. Nghiên cứu về lai xa giữa ba loài bạch đàn là Bạch đàn ưro (Eucalyptus ỉirophyllơ), Bạch đàn caman (£. camadulensis) và Bạch đàn liễu (£. exserta) đã tạo ra các tổ hợp lai có năng suất cao 1,5-3 lần các giống bố mẹ tuỳ theo điều kiện lập địa cụ thể (Lê Đình Khả, Nguyễn Việt Cường, 2001). Một số giống lai xa giữa Keo tai tượng (Acacia manỳum) và Keo lá tràm 04. auricuỉĩỊormis) có ưu thế lai cũng được tạo ra trong những năm gần đây nhờ lai xa (Lê Đình Khả, 2001, Nghiêm Quỳnh Chi, 2003, Nguyễn Việt Cường, 2005). Các nghiên cứu về sinh học nở hoa và lai giống một số loài thông cũng được thực hiện trong những năm gần đây nhờ sự giúp đỡ của dự án SAREC do Thụy Điển tài trợ và đả tạo ra một số giống lai khác loài giữa các loài Thông nhựa {Pimis merkusii), Thông đuồi ngựa (p . massoniana), Thông ba lá {P. kesiya) và Thông caribê (P. caribaea). Việc tạo ra các giống lai đã mở ra một hướng mới về lai giống có định hướng trong chọn giống cây rừng ở nước ta. Những nghiên cứu gần đây cho thấy các giống lai m m khác loài giữa Bạch đàn urô (Eucaỉyptus urophyĩỉa) với Bạch đàn pelita (£. peliita) đã có ưu thế lai rất cao so với bố mẹ của chúng (Nguyễn Việt Cường, 2005). ứng dụng công nghệ sinh học vào lai giống là một hướng đi mới, rút ngắn thời gian chọn bố mẹ và xác định ưu thế lai, • >; * chắc chắn sẽ đưa lai giống phát triển nhanh chóng. Nắm được những hiểu biết cần thiết về lai giống, giống lai, tính chất giống lai, kỹ thuật lai giống và khảo nghiệm giống lai giúp chúng ta có những hiểu biết cần thiết về lĩnh vực này và chủ động tạo Hình 1. GS. Rod Grifín tại khu Keo lai tự nhiên ra các giống lai mới góp phần 7 năm tuổi ở lâm trường Tiên Phong tăng năng suất và chất lượng (Thừa Thiên-Huế) có đường kính 27-29 cm, rừng trồng ở nước ta. cao 26-29 ni 7
Chương 1 c ơ SỞ SINH HỌC CỦA LAI GIỐNG m (Biological basics of hybridisation) .. ĐẶC ĐIỂM SINH SẢN Ở THỰC VẬT Để lai giống thành công phải hiểu được cấu tạo của hoa và đặc điểm sinh sản ủa thực vật thân gỗ. Tất cả thực vật thân gỗ đều thuộc ngành Thực vật hạt trần hay ỉgành Thông (Gynospermmae), và ngành Thực vật hạt kín hay ngành Thực vật có ìoa, hay ngành Mộc lan (Agiospermae). Đặc trưng của Thực vật hạt trần là chưa có hoa thật sự mà chỉ có nón đực và nón 'ải, sự thụ tinh cũng là thụ tinh đơn. Còn đặc trưng của Thực vật hạt kín là đã có hoa hật sự (nên còn gọi là Thực vật có hoa) và sự thụ tinh là thụ tinh kép. Các thực vật này đều có quá trình phân bào giảm nhiễm để tạo thành các giao tử tực (c?) và giao tử cái ( Ị ) có số lượng thể nhiễm sắc ln, bằng một nửa số lượng của ế bào cơ thể (2n). Qua thụ tinh các giao tử đực và giao tử cái kết hợp với nhau tạo lên hợp tử 2 n thể nhiẻm sắc như của bố mẹ ban đầu, khởi nguồn cho sự hình thành :ây mới. LI. Sự phát sinh gỉao tử đực và giao tử cáì ở Thực vật hạt trần • m V i W 9 1 « Quá trình hữu tính và sự tạo thành hạt ở Thực vật hạt trần diễn ra khác với ở rhực vật hạt kín. Có thể xem xét quá trình này ở cây Thông (hình 1.1, hình 1.2) là :ây lá kim đại diện điển hình cho ngành này. L 1 J , Phát sinh giao tử đực ở cây Thông nón đực (giống như hoa đực ở Thực vật hạt kín) là sự kéo dài :ủa chồi nụ và các vảy màu vàng được hình thành trên trục chính của nón là các á tiểu bào tử (microsporophyll). Dưới mỗi lá tiểu bào tử là hai túi tiểu bào tử microsporangium), tức hai túi phấn. Tế bào mẹ của tiểu bào tử được hình thành vào nùa thu năm trước đến mùa xuân năm sau thì phân chia giảm nhiễm tạo thành 4 tiểu )ào tử (tức 4 hạt phấn) đơn bội. Hạt phấn có hai màng là màng ngoài và màng trong, vlàng ngoài có hai túi khí, lúc đầu chứa đầy chất nhầy về sau chứa đầy khồng khí ịiúp cho hạt phấn có thể bay xa hàng kilomet. Tiểu bào tử tự phân chia tạo thành ỊÌao tử đực gồm một tế bào sinh dưỡng, 1-2 tế bào nguyên tản (tế bào sinh dưỡng :ủa nguyên tản mau chóng tiêu biến) và một tế bào hùng khí (antheridium), tức tế >ào sinh due đưc. ị
1.1.2. Phát sình giao tử cái Nón cái có màu đỏ nầm đầu các cành non của cây lá kim. Nón cái lớn hơn nón đực và gồm các vảy lớn là các lá đại bào tử (megasporangium) gọi là hai túi noãn. Trên túi noãn là noãn tâm, tức tế bào mẹ của đại bào tử. Tế bào mẹ của đại bào tử tiến hành phân chia giảm nhiễm để hình thành 4 đại bào tử, trong đó ba cái bị tiêu biến còn một cái trở thành giao tử cái, tức tế bào trứng. 1.1.3. Thụ tỉnh đơn Thụ tinh đơn là sự thụ tinh mà một tế bào sinh dục đực đơn bội (ln) kết họp với một giao tử cái đơn bổi (ln) thành hợp tử lưỡng bội 2 n thể nhiễm sắc. Hình l.l. Chu kỳ phát triển của Thông châirâu (Pỉnus silvestrìs) A. Nón cái và nón đực; B. Một phần nón cái cắt dọc; c. vảy noãn và túi noãn; D. Túi noãn cắt dọc, Đ. Một nón đực cắt dọc; E. Lá tiểu bào tử cắt dọc; F. Hạt phấn; I. Hạt thông cắt dọc; K. vảy noãn cắt dọc có hai hạt. 1. Cụm nón đực; 2. Nón cái giai đoạn non; 3. Nón cái đã chín; 4. vỏ bọc; 5. Lổ noãn; 6. Noãn tâm; 7. Nội nhũ (giao tử cái); 8. Túi noãn,; 9. ống phấn với tinh trùng; 10. Túi phấn; 11. Màng ngoài; 12. Màng trong; 13. Túi khí; 14. Tế bào sinh dưỡng; 15. Tế bào hùng khí; 16. Tế bào chân (tế bào rễ); 17. vỏ hạt; 18. Rễ mẩm; 19. Lá mầm; 20. Thân mẩm (Tutaiuk, 1980). Điểm đặc biệt ở cây lá kim là tuy có hoa đực và hoa cái, song hình thái hoa không rõ ràng và hạt không nằm trong vỏ quả nên được gọi là ngành Hạt trần, khác với Thực vật có hoa hạt nằm trong vỏ quả và gọi là ngành Hạt kín. Thời gian từ khi bắt đầu có nón hoa đến khi hạt chín ở nhiều loài cây lá kim là gần hai năm, bắt đầu từ mùa xuân năm trước đến tháng 9 nãm sau hạt mới chín hoàn 9
toàn. Cuối mùa hè nụ chổi được hình thành, mùa xuân nãm sau xuất hiện nón đực và nón cái trong khoảng một tuần. Sự thụ phấn xẩy ra khi có hạt phấn và nón cái tiếp nhận được hạt phấn. Quá trình phân bào giảm nhiễm ở nón cái xẩy ra sau thụ phấn. Sự thu tinh xẩy ra vào mùa xuân thứ hai, một năm sau khi thụ phấn. Hạt phát triển, chín trong vài tháng và rụng vào mùa thu' (hình 1.2). Một số loài thông như p. torreyana, p. maxi martì nezii thậm chí thời gian từ khi xuất hiện nón đực và nón cái đến khi hạt chín là ba năm (Ledig, 1998). PHẢT SINH Ó agpbấaJ^7 / \ THỤ PHÁN PHỒITHAI THỤTINH M — ^ Lj) PHẲNBÀO ĐẨU THÁNG 6 ìfjl Pbôi ^ GIỮẢ t h á n g 6 v ~ \ / / Ỹ Hat pton XI ) ĐẨU THÁNG 9 / ũíctứ tử (telxiđs) Đ.1 bàotứ ‘O ỵ / N Ị / PHẲNBÀO ĐẨU THÁNG 7 [ GĨẢM NHIỀM Ị Lá noãn Lá tiểu bão từ ĐẨU THÁNG 9 \ GIỮA.THÁNG J \ T hổgiaoiửcái—K \ ^ Ph6i tam \ \ Nóo đưt Vi HAT RUNG ĐẨU MÙA XUÂN GIỬA THÁNG 9 Hình 1.2. Chu kỳ sinh sản ở cây lá kim (Ledig, 1998) 1.2. Sự phát sinh giao tử đực và giao tử cái ở Thực vật hạt kín 1.2.1. Sự phát sinh tiểu bào tử và giao tử đực Quá trình hình thành tiểu bào tử (microsprogenesis) nhờ phân bào giảm nhiễm xẩy ra trong các bao phấn ở thực vật có hoa được gọi là sự phát sinh tiểu bào tử hay phát sinh hạt phấn (hình 1.5). Toàn bộ số nhị trong hoa được gọi là bộ nhị. Mỗi nhị có bao phấn, trung đới và chỉ nhị. Bao phấn có hai nửa là hai túi phấn hay hai bao phấn nằm hai phía của trung đới. Các tế bào nguyên bào tử có nhân lưỡng bội lớn, gọi là tế bào mẹ của tiểu bào tử. Tế bào mẹ của tiểu bào tử là tế bào chứa 2n thể nhiễm sắc, qua hai lần phân chia (lần đầu là giảm nhiễm) tạo thành bốn tế bào con có số lượng thể nhiễm sắc In và được gọi là "tứ tử" hoặc “¿>ợ bổrí' (tetrad) về sau phát triển thành "hạt phẩn" (pollen). Tuy vậy, trong một số trường hợp do quá trình phân bào giảm nhiễm binh thường bị phá hoại, nên đến giai đoạn tứ tử lại xuất hiện các "đa tử ' (polyad) với nhiều loại hạt phấn khác nhau, bên cạnh các hạt phấn binh thường có số lưựng thể 10
nhiễm sắc chí bằng một nửa của tế bào mẹ tiểu bào tử còn hình thành các hạt phấn có số lượng thể nhiễm sắc khác nhau và có kích thước khác nhau, không binh thường khác mà phần lớn là bất thụ. Đây là hiện tượng thường gặp trong quá trình hình thành tiểu bào tử của cây đa bội (polyploiđ). Hiện tượng này khác với hiện tượng “dính phấn” (pollen lump) hoặc khối phấn (pollinium) là trường hợp ở giai đoạn "tứ tử" các tế bào hạt phấn lại dính với nhau thành cục lớn gồm 4 hạt phấn (có khi 8 hoặc 16 hạt phấn) phát triển bình thường như một số cây ở họ Lan (Orchdaceae) hoặc họ Trinh nữ (Mimosoceae) (Atabekova, Ustinova, 1980). Hiện tượng dính phấn điển hình là ở các loài keo Acacia mà Sedgley, Harbard &Smith (1992) coi là polyad (thực chất là pollinium). Hình 1.3. Hiện tượng polyad và hiện tượng dính phấn Trái: Tứ tử (tetrad) và Đa tử (polyad) ờ Fragaria vesca tứ bội (Lê Đình Khả, 1974) Phải: Hiện tượng dính phấn (pollinium) ở Acacia mangium nhị bội (Sedgley, Harard, Smith, 1994) í H ỉn h 1.4. Hạt phấn và nẩy mầm hạt phấn ỞSyringa vulgarís (Tutaiuk, 1980) A. Hạt phấn một nhân; 8. Hạt phấn hai nhân; c. Hạt phấn đã nẩy mẩm I.Màng ngoài; 2. màng trong; 3. Nhân sinh sản; 4. Nhâr sinh dưỡng; 5. Hai tế bào tinh trùng trong ống phấn 11
Mỗi tiểu bào tử, tức mỗi hạt phấn trong bộ bốn (tứ tử- tetrad), có hai màng bao bọc là màng ngoài và màng trong. Khi hình thành không bào thì nhân chuyển dịch gần màng và tiến hành phân chia nguyên nhiễm đầu tiẽn để tạo ra hai tế bào là tế bào sinh dưỡng (lớn, có không bào) và tế bào sinh sản (không lớn, có nhân đặc). Tế bào sinh sản (generative cell) tiến hành phân chia nguyên nhiễm hai lần để tạo thành nhân sinh dưỡng và hai tinh trùng đơn bội trong ống phấn (hình 1.4). Hình dạng và kích thước của các tinh trùng ở các loài thực vật khác nhau cũng không giống nhau. 1.2.2. Sự phát sinh đại bào tử và giao tử cái Quá trình hình thành đại bào tử trong noãn của thực vật gọi là sự phát sinh đại bào tử (macrosporogenesis). Trước khi xem xét sự hình thành đại bào tử cần hiểu cấu trúc của nhuỵ và noãn (hình 1 .5) ở Thực vật có hoa. Toàn bộ nhuỵ của một hoa gọi là bộ nhuỵ. Nhuỵ đom gổm các bộ phận là đầu nhuỵ, vòi nhuỵ và bầu. Trong bầu có một noãn (Xoài, Sơn trà, v.v.) hoặc một số noãn (các loài cây họ Đậu). Sau khi thụ tinh mỗi noãn phát triổn thành một hạt. Trong noãn lại chia ra hai phần là vỏ và phôi tâm (nhân, phần trung tâm), v ỏ gồm một hoặc hai lớp khồng liền nhau và tạo ra lỗ noãn, ô n g phấn đi qua lỗ noãn để vào noãn. Phần đối diện với noãn là hợp điểm. Ở Hoà thảo thì noãn không có cuống còn ở các cây họ Đậu noãn lại có cuống. Vị trí của noãn trong bầu không phải lúc nào cũng cố định. Ở nhuỵ của Kiều mạch lỗ noãn nằm ngay dưới vòi nhuỵ ở phần trôn của bầu, gọi ià noãn thẳng và giữ nguyên vị trí ban đầu này cho đến lúc thụ tinh. Song ở nhiều loài cây khác lúc đầu noãn thẳng nhưng trong qúa trình phát triển, do tăng trưởng không đổng đều, nên thay đổi vị trí và thường là bị lộn ngược lại. Lúc ấy lỗ noãn bị chuyển chỗ gần 180° so với vị trí ban đầu, gọi là noãn ngược, là đặc trưng cho nhiều loài cây hạt kín. Ngoài ra, còn có loại noãn cong và các loại noãn khác. T ế bào nguyên bào tử (archespore) khác với các tế bào khác của phôi tâm là có kích thước lớn hơn, nhân và hạch nhân to, tế bào chất đặc. Tế bào nguyên bào tử ngay sau khi phân chia hoậc qua một vài lần phân chia thì thành tế bào mẹ của đại bào tử (megaspore mother-cell) và đi vào phân bào giảm nhiễm đổ tạo thành 4 tế bào con ln thể nhiễm sắc. Trong bốn tế bào đại bào tử đơn bội chỉ có một tế bào, thường ở phía dưới, là phát triển và trỏ thành tế bào mẹ của túi phôi. Còn ba tế bào kia ngừng phát triển. Túi phôi (embryio-sac) thường phát triển từ đại bào tử phía dưới qua ba lẩn phân chia liên tiếp theo kiểu phân bào nguyên nhiễm. Sau lần phân chia thứ nhất tạo ra túi 12
phôi hai nhân, trong đó một nhân tách ra một không bào lớn. Sau lẩn phân chia thứ hai thì túi phồi bốn nhân đữực hình thành và sau lần phân chia thứ ba thì túi phôi tám nhân được hình thành, mỗi cực có bốn nhân đơn bôi còn ở giữa là không bào. Sau đó, mỗi cực có một nhân bị đẩy vào giữa thành hai nhân cực (hai nhân thứ cấp). Sáu tế bào còn lại thì ở một cực là một tế bào trứng và hai trợ bào (hoặc hai tế bào kèm), ở cực kia là ba tế bào đối cực. Tế bào trứng chính là giao tử cái. Chức năng của hai trợ bào là thu hút ống phấn và hoà tan màng của ống phấn. Ba tế bào đối cực nằm ở phần đối diện túi phôi. Các chất dinh dưỡng xâm nhập vào túi phôi nhờ phức hợp các tế bào đối cực. Hai nhân cực (hoặc hai nhân thứ cấp) ở giữa thường hợp lại làm một như ở Hướng dương, Kiều mạch và tạo thành một tế bào trung tâm nhị bội, hoặc trước lúc thụ tinh vẫn là hai nhân riêng rẽ không kết hợp với nhau như ở Lúa mi. Tf bao (IV tiểu bào t Nguyện nhtển của tiểu bão t NMntíb Tinh trùng Hat phấn A Túlpha B Hình 1.5. Sự hình thành hạt phán (A) và túi phôi (B) ở Thực vật có hoa (theo Lobasev, ỉ 969) 13
1.2.3. Sự thụ tình kép Thụ tinh kép là bản chất của thực vật hạt kín được Navasin phát hiên đầu tiên ở họ Hành tỏi (1898) và sau đó ở họ Cúc và họ Mao lương (1900). Thụ tinh kép diễn ra ở Thực vật có hoa là ống phấn sau khi đi vào túi phôi thì tiết chất bên trong vào một trong các tế bào kèm. Đôi tinh trùng được giải phóng và một trong hai tinh trùng kết hợp với nhân của tế bào trứng để thành hợp tử cố bộ thể nhiễm sắc nhị bội (2n), tính cặp đôi của các thể nhiễm sắc tương đổng được phục hồi. Tinh trùng thứ hai kết hợp với nhân nhị bội (hoặc hai nhân đơn bội) của tế bào trung tâm (hoặc hai nhân cực) của túi phôi để tạo thành nội nhũ với bộ thể nhiễm sắc tam bội (3n). Sự thụ tinh như thế được gọi là sự thụ tinh kép (hình 1.6 ). Thời gian từ lúc đầu nhụy được thụ phấn đến lúc ống phấn đi vào túi phôi và đến lúc thụ tinh thay đổi khá lớn theo các loài cây khác nhau, điều kiện thời tiết, kiểu lai giống (lai trong loài, lai khác loài) và các nhân tố khác. T in h trùng Ông phân T ĩự b à o Tế tào trứng Hợp tử Ba tế bào đối cực. Hai nhân thứ cíp Nhân tam bôi cùa nội ĨỬ1U 1 Hình 1.6. Sơ đồ thụ tinh kép ở thực vật có hoa 1. Óng phấn đi vào túi phôi, 2. ống phấn giải phóng các tinh trùng 3. Thụ tinh kép vỏi hợp tử nhị bội và nội nhũ có nhân tam bội. 2. S ự THỤ TINH Ở THỰC VẬT 2.1. Đặc điểm của sự thụ tinh • 4 M Quá trình sống ở thực vật bậc cao bắt đầu từ sự thụ tinh, song để thụ tinh phải có sự thụ phấn xẩy ra trước đó. Sự thụ phấn xẩy ra khi phấn rơi lên đầu nhụy, còn sự thụ tinh chỉ xẩy ra khi giao tử đực kết hợp với giao tử cái. Tuỳ đặc điểm loài cây mà thời gian từ thụ phấn đến thụ tinh thay đổi khác nhau từ mấy ngày đến mấy tháng, thậm chí đến một năm (như ở Thực vật hạt trần). 14
Sự thụ tinh là sự kết hợp và đổng hoá lẫn nhau của giao tử đực và giao tử cái để hình thành hợp tử mà các giao tử lại được hình thành trên cơ sở phân bào giảm nhiễm với sự phối đổi của thể nhiễm sắc cùng nguồn và sự tái tổ hợp (và sau đó giảm đi một nửa) của các nhân tố di truyền. Hợp tử là kết quả của sự kết hợp di truyền của bố và mẹ để sinh ra cây con mang các tính trạng của bố mẹ với những biến đổi nhất định. Nhờ quá trình thụ tinh mà sinh vật kết hợp được tính di truyổn của bô mẹ trong một cơ thể mới, phục hổi được quá trình lưỡng bội trong giới hạn của loài và đảm bảo được sự liên tục di truyền từ thế hộ này sang thế hệ khác. Hợp tử thực hiện giải trừ toàn bộ quá trình phát triển giai đoạn đã qua của bố mẹ, bắt đầu một quá trình phát triển giai đoạn mới, hình như lặp lại những bước đã qua của đời trước trên một cơ sở chất biến cao hơn. Do đó sinh vậĩ không ngừng tiến hoá và thích nghi điẻu kiện hoàn cảnh mới. Có thể coi tế bào sinh dục là điểm nút đánh dấu sự bắt đầu của một chu kỳ phát triển mới, cao hom của sinh vật, vì vậy tế bào sinh dục cố tính chất phức tạp cao độ về mặt sinh vật học, là một sự đảm bảo để truyền đạt tính di truyền của đời trước cho đời sau. Quá trình thụ tinh cũng là một quá trình tiến hoá từ kiểu thụ tinh đơn ở Thực vật hạt trần đến thụ tinh kép ở Thực vật hạt kín. Khi thụ tinh đơn thì chỉ một tinh trùng kết hợp với tế bào trứng, còn tinh trùng kia không tham gia thụ tinh và bị tiêu biến. Khi thụ tinh kép thì một tinh trùng kết hợp với tế bào trứng tạo thành hợp tử 2n, còn tinh trùng kia kết hợp với nhân thứ cấp của túi phôi thành tế uao khởi đầu của nội nhũ 3n thể nhiễm sắc, sau thành nội nhũ của hạt. 2.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình thụ tinh Quá trình thụ tinh chịu ảnh hưởng của quan hệ di truyền giữa các bố mẹ tham gia thụ tinh, các nhân tố môi trường thụ phấn như độ pH, nhiệt độ, hoạt tính các loại men, mưa gió, cũng như số lượng hạt phấn khi thụ tinh. 2.2.1. Quan hệ di truyền Sự thụ phấn và thụ tinh ở thực vật chỉ có thé xẩy ra khi giữa bố và mẹ có quan hệ di truyển gần gũi nhất định. Bố mẹ thuộc các loài có quan hệ di truyền quá xa nhau cũng như tự thụ phấn cùng hoa thì rất khó xẩy ra thụ tinh. Vì thế mà loài giữ được tính ổn định, tồn tại và phát trién trong tự nhiên. 2.2.2. Môi trường thụ phấn - Độ pH. Nhiều nghiên cứu cho biết trong ống phấn thường chứa các chất có tính kiềm yếu còn trong chất nhầy ở đầu nhụy thường có tính axit yếu (thích hợp cho hạt 15
phấn nảy mầm) giúp cho hạt phấn nẩy mầm và mang tinh trùng đến kết hợp với tế bào trứng. Sự chênh lệch về độ pH này còn dân đến hiện tượng cố cực ở nhụy, tạo điều kiện tốt cho hiện tượng trao đổi chất khi thụ phấn và là nhân tố định hướng sinh trưởng của ống phấn. - Men thủy giải. Có tính axit yếu, lượng ổxy và hàm lượng đường thích hợp là điểu kiện tốt cho hạt phấn nảy mầm. Ví dụ hạt phấn Chè, hạt phấn Đinh hương (Syrínga sp.) và nhiều loài cây khác đều nảy mầm và sinh trưởng tốt ở môi trường đường glucôsa và frutoza thích hợp, hạt phấn Thông đuối ngựa trên môi trường 0,5% aga + 10% đường Sacharose nẩy mầm 89,4% thi ở môi trường 0,5% aga + 20% đường Sacharose chỉ nẩy mầm 56,6%, còn ở môi trường không có đường Sacharose tỷ lệ nẩy mầm là 60,6% (Lê Đình Khả, Nguyễn Việt Cường, 1995). - Nhiệt độ, Nhiệt độ thấp (dưới 5°C) làm kìm hãm sự nảy mẩm và sinh trưởng của ông phấn, khi nhiệt độ tăng đến mức tối thích thì sinh trưởng của ống phấn cũng tãng lên. Ví dụ ở 5nc ống phấn của hạt phấn Lúa mạch đi đến túi phôi sau 2 giờ 20 phút, thì ở nhiệt độ 23° c chỉ mất 20 phút. Mỗi loài cây có một khoảng nhiệt độ thích hợp cho sự nẩy mầm và phát triển của hạt phán, ngoài khoảng đó thường xẩy ra bất thụ. 2.2.3. Số lượng hạt phấn trong thụ tinh Trong thực tế, đé thụ tinh bình thường phải có số lượng hạt phấn đủ lớn rơi lên đầu nhụy. Từ thời Darwin đã thấy rằng nếu cho số lượng hạt phấn bằng số lượng trứng trong một túi noãn thì hạt khó hình thành. Theo ồng cây Hoa phấn (.Mirabiỉis jalapa) trong túi noãn có một trứng, song chỉ thụ phấn bởi một hay hai hạt phấn sẽ không thể kết hạt. Nhiều nghiên cứu về sau trên những dối tượng khác cũng rút ra kết luận như vậy. Ustinova nghiên cứu cho Hướng dương {Helianthus annuus) đã thấy rằng khi thụ phấn bằng nhiều hạt phấn thì chỉ sau 4 0 - 5 0 phút ống phấn đầu tiên đã tới gốc vòi nhụy, thụ phấn ít hạt phấn (5 -1 0 hạt) thì ống phấn đầu tiên tới gốc vòi nhụy sau 2 - 3 giờ. Kiểm tra bằng cách cho hạt phấn nẩy mầm trên môi trường nhân tạo cũng cho kết luận tương tự. Galubinsky thí nghiệm cho c ỏ mục túc (Medicago sativa) thấy rằng ở dung dịch đường 15% khi hạt phấn ít thì tỷ lệ nẩy mầm là 37%, hạt phấn tương đối nhiều thì tỷ lệ nẩy mầm là 89,5%, hạt phấn nhiều hơn thì tỷ lệ nẩy mầm là 98%. Thí nghiệm về sinh hóa đã chứng minh là hạt phấn rơi lên đầu nhụy thì men của phấn hoa làm cho tinh bột trên đầu nhụy chuyển thành đường là môi trường để hạt phấn nẩy mầm và ống phấn dài ra. Trong hạt phấn có nhiều men catalasa để chuyển hóa tinh bột thành đường và các men chuyển hóa đường kép thành đường đơn mà hoạt động của men lại chịu sự chi phối của số lượng hạt phấn rơi lên đầu nhụy, trong một mức độ nhất định, lượng hạt phấn càng nhiều thì hoạt động của men càng mạnh, cường độ trao đổi chất càng lớn nên sự thụ tinh và kết hạt càng tiến hành thuận lợi. Vitamin Bj, Vitamin B2 (riboflavin), nhất là vitamin B2, có tác dụng rất lớn đối với sự nẩy mầm của hạt phấn (vì trong đó có chứa nguyên tố vi lượng Bor (B) có tác dụng 16
thúc đẩy hạt phấn nẩy mầm), mà bản thân hạt phấn lại tiết ra những chất ấy nên mật độ hạt phấn cao sẽ làm cho tỷ lệ nẩy mầm cao. Tuy nhiên khi hạt phấn quá nhiều, nồng độ Vitamin quá lớn lại kìm hãm sự sinh trưởng của ống phấn trên đầu nhuỵ. 2.3. Sự thụ phấn và sự nảy mầm của ống phấn 2.3.1. Sự thụ phấn Brown (1990) đã chia thực vật thành 5 nhóm theo phương thức thụ phấn chủ yếu là: - Tự thụ phấn là chính - Thụ phấn chéo là chính - Thụ phấn hỗn hợp - Sinh sản đơn tính từng phần - Tự thụ phấn từng phần của các giao tử. Người ta cũng có thể chia thực vật thành 3 nhóm chính là thụ phấn chéo, tự thụ phấn và thụ phấn hỗn hợp (xen lẫn cả hai phương thức thụ phấn). Thụ phấn chéo nhờ gió xẩy ra chủ yếu ở các loài cây lá kim, thụ phấn chéo nhờ côn trùng chủ yếu xẩy ra ở các loài cây lá rộng hoa có màu hoặc có mùi, tự thụ phấn thường xẩy ra ở các loài cây họ Đậu. Theo phương thức thụ phấn thực vật được chia thành các nhóm là cây có hoa đơn tính khác gốc, cây có hoa đơn tính cùng gốc, cây có hoa lưỡng tính và cây có hoa hỗn hợp (vừa đơn tính vừa lưỡng tính trên cùng một cây). Ở những cây thụ phấn chéo thì trong điều kiện tự nhiên hạt phấn rơi lên đầu nhuỵ nhờ gió hoặc nhờ côn trùng như keo, bạch đàn V.V.. Ở những cây tự thụ phấn như các loài cây họ Đậu thì bao phấn ẩn trong hoa và tung hạt phấn lên vòi nhuỵ. ở một số loài cây (như lạc) hạt phấn lại nảy mầm trong bao phấn và sự thụ phấn được gọi là thụ phấn ngậm (cleistogamy). Trong một quần thể cũng thấy có nhũng cá thổ khác nhau về phương thức thụ phấn. Những cây nở hoa sớm thường tự thụ phấn nhiẻu hơn nhũng cây nở hoa chính vụ, cây ở giữa quần thể có tỷ lệ thụ phẩin chéo nhiều hơn cây ở rìa. Quần thể của những cây tự bất hợp thì có nhiều vật trung gian truyền phấn (Radhamani và cs., 1998). Nhìn chung hạt phấn rơi lên đầu nhuỵ mới nẩy mầm, ống phấn mọc xuyên qua vòi nhuỵ và túi phôi để thụ tinh vói tế bào trứng ở noãn. Trong thực tiễn chọn giống và phôi thai học thì sau khi đẫ khử đực người ta thường dùng bút lông để cho hạt phấn lên đầu nhuỵ một cách nhân tạo. Khi thụ phấn nhân tạo cần phải cho nhiều hạl phấn lên vòi nhuỵ, mặc dù trong điéu kiện tự nhiên chỉ cần một số ít hạt phân để thụ tinh nếu nhuỵ có một noãn. Khi nghiên cứu thụ phấn và thụ tinh cần tính đến sức sống của đầu nhuỵ và của hạt phấn. Theo một số tài liộu thì đầu nhuỵ của Lúa mì giữ được sức sống trong mấy 17
ngày (đôi khi 9 ngày) nhưng số hoa kết hạt được thì giảm dần và đến ngày thứ chín thì chỉ có 1,25% sớ hoa được thụ phấn có thể kết hạt (Pixareva, 1935). Hạt phấn lúa mì ở ngoài nắng bị chết khá nhanh cho nên cách thụ phấn tốt nhất là lấy các bao phấn đã thành thục và đưa ngay vào hoa đã khử đực. Ở Ngô thì hạt phấn ở ngoài không khí 2-3 giờ sẽ mất sức sống. Theo tài liệu của Ustinova (1955) thì hạt phấn của Ngô có thể giữ được sức sống trong bình hút ẩm có độ ẩm tương đối là 76%, nhưng sau ba ngày thì khả nâng thụ tinh bị giảm xuống. Vòi nhuỵ của Ngô giữ được sức sống từ vài ngày đến 12-14 ngày (Kulesov). Trong những điều kiện thuận lợi hạt phấn có sức sống sau khi rơi lên đầu nhuỵ sẽ tiết ra các chất dịch. Những quan sát tĩ mỉ ở những cây thuộc họ Hoà thảo đã cho thấy rằng không chỉ hạt phấn mà đầu nhuỵ cũng tiết ra các chất dịch. Hạt phấn không có sức sống thì không tiết ra một chất dịch nào cả. Những hạt phấn có sức sống thì nhanh chóng tạo ra ống phấn và chui vào mổ của nhụy, nhân sinh dưỡng và tinh trùng chuyển vào vòi nhụy. 2.3.2. Sự nẩy mẩm của ống phấn trên đầu nhuỵ Trong thời gian ống phấn nẩy mầm trên vòi nhuỵ thì trạng thái sinh lý của nó cũng bị biến đổi. Độ pH ở trạng thái sống, tiềm năng oxy hoá khử (rH2), hàm lượng các chất có hoạt tính sinh lý (các auxin, đường, các enzim, các axit amin) ở đầu nhuỵ đều bị biến đổi khi thụ phấn. Những ống phấn không gây ra trạng thái biến đổi sinh lý trên đầu nhuỵ thường tăng trưởng chậm, tạo ra chỗ phình ở đầu mút và không đạt đến túi phôi. Ống phấn mọc theo rãnh trong vòi nhuỵ theo các rãnh của các mô dẫn hoặc theo gian bào của các mô khác. Số ống phấn mọc trong vòi nhuỵ không giống với số ống phấn đạt tới lỗ noãn. Thông thường tuy nhiểu hạt phấn rơi lên đầu nhuỵ, song chỉ có một ống phấn tới túi phôi và tiết chất chứa bên trong vào một trong những tế bào kèm, phá huỷ tế bào ấy và tiến hành thụ tinh với tế bào trứng và nhân thứ cấp. Tốc độ phát triển của ống phấn trong nhuỵ ở các loài cây khác nhau cũng không giống nhau. Thông thường thời gian từ lúc thụ phấn đến khi thụ tinh ờ các loài thông là 8 - 12 tháng, ở Táo và Lê là 5 ngày. Trong những cây thân thảo thì thời gian từ lúc thụ phấn đến lúc thụ tinh ở Crepis capỉlỉarìs là 40-50 phút, ở Lúa mì là 12 giờ, ờ Ngô là 20-22 giờ. Theo Muller (1919) thì tốc độ phát triển của ống phấn ở Ngô có thể đạt đến 6,25 mm trong một giờ. 3. LỰA CHỌN THỤ TINH VÀ THỤ PHẤN CHÉO • « • • 3.1. Lựa chọn thụ tinh ♦ • » 3.1.1. Khái niệm và đặc điểm của lựa chọn thụ tinh V « • t • Lựa chọn thụ tinh là hiện tượng đầu nhụy lựa chọn hạt phấn có đặc điểm di truyền phù hợp nhất và có sức khỏe tốt nhất để thụ tinh và tạo thành hợp tử phát triển binh thường. 18
Quá trình thụ tinh cũng như các quá trình sống khác đều có tính lựa chọn. Đầu nhụy có thể gặp các loại phấn hoa khác nhau nhưng chỉ có một số thích hợp nhất về mặt sinh vật học mới có thể tham gia thụ tinh. Hiện tượng đó gọi là lựa chọn thụ tinh. Lựa chọn thụ tinh không chỉ ở chỗ lựa chọn loại phấn hoa thích hợp nhất vé mặt nòi giống mà còn thể hiện ở chỗ nhiều phấn hoa thích hợp của cùng một loại rơi lên đầu nhụy thì chỉ hạt phấn nào khoẻ nhất, phát triển đầy đủ nhất mới thụ tinh được với tế bào trứng. Lựa chọn thụ tinh là biểu hiện của một trong những quá trình lựa chọn của sinh vật, là một hình thức lựa chọn điều kiện hoàn cảnh thích hợp để đồng hóa. Nếu như trong quá trình sống sinh vật luôn luôn loại trừ những điều kiện hoàn cảnh không thích hợp thì trong thụ tinh cũng vậy. Giao tử đực và giao tử cái đều lựa chọn đối tượng thích hợp nhất cho mình để thụ tinh, không thụ tinh hoặc ít thụ tinh với những giao tử kém thích hợp. Diệp Mậu Phú và Ngô Hậu Quân (1959) làm thí nghiệm thụ phấn riêng lẻ và thụ phấn hỗn hợp cho Hạch đào pecan (iCarya pecan) và Hạch đào ilinoi (Carya illinoides) đã thấy hiện tượng lựa chọn thụ tinh thể hiện như bảng 1. 1. Qua bảng này có thể thấy Hạch đào pecan và Hạch đào ilinoi có khả năng đồng hóa lẫn nhau tương đối lớn (nhất là hạt phấn hỗn hợp với một ít phấn hoa của loại cây mẹ) nổn tỷ lệ đậu quả tương đối cao. Ngược lại, khi thụ phấn bằng phấn hoa của Hồ đào Ụuglans regia) thì không được cả hai loài lựa chọn nên không kết hạt. Rhomender đã nghiên cứu thụ phấn cho Sổi (Quercus sp) trong 10 năm cũng thấy rằng Quere US rubra thụ phấn khác hoa cùng loài thì tỷ lệ kết quả đạt 64%, thụ phấn bằng pháh của Q. sessiliflora tỷ lệ kết quả là 4%, còn cho tự thụ phấn tỷ lệ kết quả chỉ đạt 1%. Bảng 1.1. Tính lựa chọn thụ tinh ỏ Hạch dào Số Kiểm tra lẩn 1 Kiểm tra lẩn 2 hoa (tháng 7) (tháng 9) TT Tổ hợp lai thụ phấn SỐ quà % Số quả % 1 Hạch đào pecan X Hạch đào ilinoi 90 10 11,1 2 2.2 2 Hạch đào pecan X Hạch đảo ilinoi + Hạch đào pecan 54 8 14,8 5 9,3 3 Hạch đào pecan X Hổ đào 21 0 0 0 0 4 Hạch đào ilinoi X Hạch đào pecan 217 19 8,8 13 6.0 5 Hạch đào ilinoi X Hạch đào pecan + Hạch đào ilinoi 77 16 20,8 16 20,3 6 Hach đào ilinoi X Hổ đảo • 18 0 0 0 0 Điều đó chứng tỏ lựa chọn thụ tinh còn bao hàm sự thích nghi của thực vật với lối thụ phấn khác hoa (thụ phấn chéo) của những cá thể khác cùng loài và tránh tự thụ phấn cùng hoa. Nhiều nghiên cứu về lai giống đã chứng minh là có sự lựa chọn thụ 19
tinh và tế bào sinh dục đực của loài cây mẹ hoặc họ hàng gần thường chiếm ưu thế trong quá tin h lựa chọn. Nói cách khác, nhụy chỉ lựa chọn bố gần gũi về nòi giống đé thụ tinh, cũng vì vậy mà đời sau cùa thụ phấn hỗn hợp thường có xu hướng giữ lại tính trạng của mẹ, hoặc thêm tính trạng của bố gần nhất. Đó là tính ổn định về sinh sản đảm bảo cho sinh vật nâng cao sức sống, Ihích nghi với hoàn cảnh mới đổng thời vẫn giữ được tính chất ổn định của loài. Chính vì vậy, trong điều kiện thụ phấn khác hoa tự do trong thiên nhiên ta thấy đại bộ phận cây đời sau đều giữ lại đặc tính của mẹ, mặc dầu côn trùng và gió có thể truyển các thứ phấn hoa khác nhau lên đầu nhụy. Theo quan điểm sinh lý thì lựa chọn thụ tinh còn bao gồm mặt thứ hai là khi nhiều hạt phấn cùng loại rơi lên đầu nhụy, nhiều ống phấn chui vào vòi nhụy thì chỉ có giao tử đực nào có sức sống nhất, phát triển đầy đủ nhất mới có thể tiến hành thụ tinh với giao tử cái. Điẻu này không chỉ thé hiện ở thực vật bậc cao mà còn thể hiện ở thực vật bậc thấp. Ví dụ, Thanh y tảo (Fucus vesỉcuỉosus) là một loại tảo tinh trùng nhỏ, có hai roi (một dài một ngắn) di động được trong nước, còn noãn cầu là một khối nguyên sinh chất lớn, không roi, bất động. Khi thụ tinh thì nhiều tinh trùng cùng đến gặp noãn cầu một lúc làm cho noãn cầu chuyển động quay tròn có thể đến nửa giờ, chỉ tinh trừng nào khỏe nhất bám chặt vào noãn cầu mới tiến hành thụ tinh với noãn cầu tạo thành hợp tử 2 n. Nhiều hạt phấn rơi lên đầu nhụy một mặt tạo điều kiện tốt cho hạt phấn nảy mầm, mặt khác để tế bào trứng có thể thực hiện đầy đủ khả năng lựa chọn của mình với nhân tố bố thích hợp. Lựa chọn thụ tinh không những phụ thuộc vào tính bảo thủ di truyển, sự phát trién theo tuổi của bố mẹ và lịch sử phát triển của loài mà còn phụ thuộc vào mức độ thành thục của hạt phấn và điều kiện hoàn cảnh khi thụ tinh. Nói chung đầii nhụy ở giai đoạn vừa ihành thục thì tính lựa chọn mạnh nhất, còn đầu nhụy già hoặc còn trẻ thì tính lựa chọn thụ tinh yếu hơn. 3.1.2. Các nhân tố ảnh hưởng đến lựa chọn thụ tình - Đặc điểm di truyền Darwin là người đầu tiên nghiên cứu hiện tượng lựa chọn thụ tinh ở thực vật, ông đã làm thí nghiệm với cầy Anh thảo (Primula veris) là loài có 2 thứ với hai kiểu hoa, một thứ có nhụy dài, nhị ngắn, hoa màu trắng và một thứ nhụy ngắn, nhị dài, hoa mầu đỏ. Lấy cây hoa có nhụy dài, hoa trắng thụ phấn bằng hạt phấn của nó, sau đó 24 giờ lại thụ phấn bằng hạt phấn của kiểu vòi nhụy ngắn, hoa màu đỏ thì về sau thu được 30 cây toàn bộ đều có hoa màu hồng. Darwin viết "tự thụ phấn tuy tiến hành trước 24 giờ, nhưng đã bị ảnh hưởng của thứ hoa dỏ lấn át”. Và kết luận là nhân tố giống của thực vật nhạy cảm biếĩ bao, khi thụ phấn bằng hạt phấn của mình thì không kết hạt, nhưng dùng phấn cây khác cùng loài lại kết hạt. Trong thực vật thường thấy thụ phấn bằng phấn hoa của thứ khác hoặc cây khác trong cùng thứ thường ưu việt hơn so với thụ phấn cùng hoa. "Trong một họ lớn (family) gồm hàng nghìn quan hệ họ hàng, thì đẩu nhụy có thể phân biệt không nhầm lẫn tý nào phấn hoa của nó và phấn hoa của loài khác”. 20
Theo quan điểm di truyền học thì chỉ những giao tử có kiểu gen phù hợp với tế bào trứng mới có thể tham gia thụ tinh để tạo thành hợp tử, nếu trong vòi nhụy có một vài ống phấn nảy mầm thì chỉ có một cái thực hiện thụ tinh. Các kiểu gen dị hợp tử thường sinh ra các kiểu giao tử khác nhau. Thí dụ, kiểu gen Aa cho các giao tử A và a với tỷ lệ 1:1. Trong trường hợp này có thể thấy do các giao tử của các thể dị hợp tử không giống nhau về (hành phần các nhân tố di truyén, nên chúng cũng tham gia khác nhau vào thụ tinh. Khi lai các cá thể dị hợp tử (Aa X Aa) thì đáng lẽ phân ly kiểu biểu hiện theo dự đoán là 3:1, lại có tỷ lệ phân ly khác vì xác suất như nhau để tạo thành các kiểu hợp tử khác nhau bị phá hoại. Hiện tượng này gọi là thụ tinh có chọn lọc. Thuật ngữ này do Johns đề xuất. Người ta đã thấy rằng tính chọn lọc thụ tinh thay đổi theo tốc độ sinh trưởng của ống phấn lại được xác định bởi tác động của các nhân tố giao tử (Miriuta, 1967). Mangelsdorf (1936) đã cho thấy rằng ở Ngô những hạt phấn bé không thể cạnh tranh được với hạt phấn bình thường. Năm 1902 Corens là người đầu tiên đã tìm thấy sự thay đổi của tỷ lệ 3:1 trong đời sau của cây lai giữa Ngỏ tẻ và Ngô nếp do ảnh hưởng của lựa chọn thụ tinh. Trong một trường hợp đã thấy 16% số cá thể có tính lặn mà đáng lẽ là 25%. Năm 1922 Corens đã quan sát được hiện tượng sai lệch với phân ly dự đoán đo lai giữa cá thể cái đồng hợp tử Melandrium album, với cá thể đực dị hợp tử của cùng loài này. Trong đời sau thấy thừa các cá thể cái mà đáng lẽ là có 50% theo dự kiến. Điều này được giải thích là do tốc độ sinh trưởng khác nhau cùa các ống phấn có mang yếu tỏ' xác định giới tính. Như vậy, khi thụ tinh có chọn lọc thì khả năng thụ tinh khác nhau của các giao tử đực do bản chất di truyền của chúng quyết định, được thể hiện. Các tế bào trứng thường được thụ tinh bởi những tinh trùng có kiểu di truyền nhất định. Hiện tượng nay thường gặp khi thụ phấn bằng hổn hợp hạt phấn của các giống khác nhau, khi tự thụ phấn của những cá thể dị hợp từ, cũng như khi lai giống các dạng dị hợp tử và đồng hợp tử, v.v. - Tuổi phát triổn cá thể và điều kiộn sớng Mitsurin đã cho rằng lựa chọn thụ tinh có quan hệ chật chẽ với tính bảo thủ di truyền, tuổi năm phát triển cá thể và điều kiện sống của thực vật. Lựa chọn thụ tinh là một đặc tính thích ứng của thực vật để giữ được tính ổn định của mình. Cây trồng càng bảo thủ thì tinh lựa chọn thụ tinh càng mạnh và do đó khả năng thụ tinh với các hạt phấn ít thích hợp càng kém. Trái lại, những cây non, nhất là cây lai non, có tính di Iruyổn giao động, thì tính iựa chọn thụ tinh với các hạt phấn ít thích hợp càng mạnh. Tính lựa chọn thụ tinh công thay đổi theo từng loài cầy và điẻu kiện sống của chúng. Đưa cây trồng vào điều kiện hoàn cảnh mới, làm cho tính di truyền giao động thì lựa chọn thụ tinh cũng yếu đi. Năm đầu tiên mới ra hoa kết quả thì khả năng lựa chọn thụ tinh cũng yếu nhất, nó có thể chịu thụ tinh bởi nhiều loại hạt phấn 21
mà trong đi!u kiện bình thường không thể thụ tinh được, về sau tính lựa chọn thụ tinh ngày càng bền vững dần. VI vậy Mitsurin đã lợi dụng đặc tính này để khắc phục hiện tượng khổng thụ tinh và không kết hạt khi lai xa. Mitsurin cũng thấy là khi thụ phấn chéo trong thiên nhiên, nếu cãy mẹ thụ phấn bởi hạt phấn của các loài khác do gió hoặc côn trùng đưa tới thì đời sau thường có sức sống lớn hơn là buộc phải thụ phấn chéo nhân tạo. Điều đó chứng tỏ khi truyền phấn tự do trong thiên nhiên, tế bào trứng có điều kiện iựa chọn hạt phấn đầy đủ mà con người chưa tạo ra được. Nghiên cứu đầy đủ về mặt sinh lý của quá trình thụ tinh sẽ cho phép chủ động lựa chọn hạt phấn thích hợp. Trong các thí nghiệm thụ phấn cho thực vật bằng hỗn hợp hạt phấn của Ngổ, Cà chua, Bông và các loài cây khác, Johns đã tìm thấy tính chọn lọc của thụ tinh, Khadjinov (1940) đã quan sát được hiện tượng này ở Ngô. Các nghiên cứu sau này đã thấy nhiệt độ ảnh hưởng đến tính chọn lọc của thụ tinh. Ví dụ, ở Củ cải đường khi nhiệt độ không khí 8 - 12°c thì hạt phấn của cây nhị bội và của cây tứ bội nảy mầm đổng thời, còn khi nhiệt độ thấp (+4, +5°C) thì ống phấn của cây nhị bội mọc nhanh hơn ống phấn của cây tứ bội (Panin, 1965). Nghiên cứu của Zaicovskaia cũng thấy thụ phấn của Củ cải đường chịu ảnh hưởng rất lớn của nhiệt độ. Nhiệt độ không khí lúc nở hoa thấp (10 - 18°C) thì tỷ lệ kết hạt của tự thụ phấn cao, còn nhiệt độ cao (26 - 30nC) và khô thì tự thụ phấn lại không kết quả, chỉ có thụ phấn khác hoa. Nhiều nghiẽn cứu khác cũng thấy sự phụ thuộc đặc biệt của sự lựa chọn thụ tinh vào điều kiện nhiệt độ của môi trường. Ở các * * • • • • • « « • 1 ' nhiêt độ khác nhau, hạt phấn có nguồn gốc địa lý khác nhau sẽ biểu hiện các đặc tính thích ứng khác nhau. 3.2. Thụ phấn chéo và sức sống thực vật Thụ phấn chéo không những có tỷ lệ đậu quả cao hơn tự thụ phấn và thụ phấn bằng hạt phấn xa lạ mà còn ảnh hưởng rồ rệt đến sức sống của cây đời sau. Dùng chỉ thị vi vệ tinh (microsatellite markers) để phân tích đa dạng đi truyền và mức độ thụ phấn chéo cho cây con từ các vườn giống trồng ở các vùng khác nhau và đo sinh trưởng Keo tai tượng (Acacia mangium) ở giai đoạn 18 tháng tuổi tại Ba Vì (Hà Tây) đã cho thấy các rừng giống có tỷ lệ thụ phấn chéo cao (100%) như ở Ba Vì, Đông Hà đã cho hậu thế sinh trưởng nhanh hơn rõ rệt so với cây hạt lấy từ các nguồn giống có tỷ lệ thụ phấn chéo thấp (13- 49%) như các vườn giống Bầu Bàng và Ba Vì hoặc các rừng trồng Hàm Yên, Phong Châu (Harwood, Ha Huy Thinh và cs.. 2004, Trần Hổ Quang, Trần Đức Vượng, 2005). Điều đó chứng tỏ hậu thế của vườn giông có tỷ lệ thụ phấn chéo cao có sinh trưởng nhanh hơn của vườn giống có tỷ lệ thụ phấn chéo thấp. 22