Chọn giống cây trồng ngắn ngày - Chương 5: Chọn giống cây khoai tây

Chương 5 CHỌN GIỐNG CÂY KHOAI TÂY Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 4.2.1. Giới thiệu Khoai tây trồng Solanum tuberosum L. (2n = 4x = 48) là cây lương thực, thực phẩm quan trọng chỉ sau lúa mỳ. Khoai tây còn cung cấp những thành phần dinh dưỡng khác có lợi cho sức khỏe con người như vitamin C, thiamine, riboflavin, thiacyne và muối của Ca, Fe, P và K. Khoai tây có diện tích trồng là 19,2 triệu ha, năng suất 19,4 tấn/ha và sản lượng đạt 374,3 triệu tấn (FAO, 2011). Công tác nghiên cứu chọn tạo giống khoai tây đã được quan tâm nghiên cứu ở tất cả các quốc gia nhằm chọn tạo giống năng suất cao, chọn tạo giống chất lượng, chọn tạo giống cho chế biến, chọn tạo tạo giống thích nghi và chọn tạo giống chống chịu. Những phương pháp chọn tạo giống truyền thống như chọn dòng vô tính, lai tạo giống, ngày nay trên cơ sở những tiến bộ của di truyền phân tử và công nghệ sinh học nhiều phương pháp chọn giống hiện đại đã được áp dụng để phát triển giống khoai tây mới thành công. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 4.2.2. Nguồn gốc, đa dạng và phân loại khoai tây a. Nguồn gốc  Khoai tây có nguồn gốc ở vùng núi cao khoảng 3.800 m so với mặt biển của Peru, tập trung vùng xung quanh hồ Titicaca.  Khoai tây được thuần hóa ít nhất 7.000 năm trước đây, canh tác trồng trọt của các cộng đồng thời kỳ đầu trong điều kiện lạnh và khô ở vùng núi gọi là ‘Chuno’, vẫn còn tồn tại đến ngày nay.  Khoai tây có khoảng 200 loài dại, độ bội của các loài dại trong phạm vi từ 2n = 2x = 24 đến lục bội 2n = 6x = 72, tất cả các loài này nằm ở lục địa châu Mỹ, chúng được trồng từ miền Nam nước Mỹ, Trung Mỹ và các nước thuộc dãy Andes đến Chile và ở các độ cao khác nhau từ ngang đến 4.000 m so với mực nước biển, một số không hình thành củ (Huaman Z., 1986).  Nguồn gốc lai của các giống khoai tây theo Flor Rodriguez và cs. (2010): nhóm Petota là lai khác loài ở các hai mức lưỡng bội và đa bội. b. Phân loại Khoai tây (Solanum tuberosum) thuộc chi Solanum, họ Solanaceae. Chi Solanum là chi lớn nhất trong họ Solanaceae, ước tính có 1.400 loài. Khoai tây thuộc nhóm Petota, trong nhóm phân thành các nhóm phụ, trong nhóm phụ có các loài và trong loài được phân thành các loài phụ. Tất cả khoai tây trồng và khoai tây dại thuộc nhóm Petota. Một số hệ thống phân loại khoai tây trên cơ sở số nhóm và loài. Vì vậy, có 3 hệ thống phân loại các loài khoai tây trồng là 3, 8 hay 18 loài tùy thuộc vào mức độ biến dị của các cây trong loài so với loài khác. Hệ thống phân loại khoai tây trồng gồm 8 loài được sử dụng rộng rãi nhất Bảng 5.5. Tám loài khoai tây trồng Loài Số nhiễm sắc thể Độ bội S. x ajanhuiri 2n = 2x = 24 Lưỡng bội S. goniocalyx S. phureja S. srenotomum S. x chaucha 2n = 3x = 36 Tam bội S. x juzepczukii S. tuberosum 2n = 4x = 48 Tứ bội ssp. tuberosum ssp. andigena S. x curtilobum 2n = 5x = 60 Ngũ bội Ghi chú : ssp. = loài phụ; x sau chữ S = chỉ là loài lai. (Nguồn Huaman, Z. 1986) Phân loại khoai tây cũng có thể dựa trên độ bội là số bộ nhiễm sắc thể (x) trong tế bào sinh dưỡng. Các tế bào sinh dưỡng bình thường ít nhất có 2 bộ nhiễm sắc thể, một bộ nhiễm sắc thể ở khoai tây là 12, như vậy x = 12. Các tế bào khoai tây trồng có thể có 2 và 5 bộ nhiễm sắc thể và như vậy khoai tây trồng có phạm vi độ bội từ lưỡng bội đến ngũ bội (Huaman Z., 1986). Trong 8 loài trồng của nhóm Petota, chỉ có loài S. tuberosum loài phụ ssp. tuberosum được trồng rộng khắp trên thế giới. Những loài khác chủ yếu ở các nước thuộc dãy Andes, khu vực này đã có hàng nghìn giống được tìm thấy và khoảng 1.300 mẫu đã được CIP thu thập và bảo tồn, hình thành trong ngân hàng gen khoai tây quốc tế. c. Đa dạng nguồn gen khoai tây Nguồn gen khoai tây đa dạng về hình thái và di truyền, đa dạng hình thái được đánh giá chủ yếu dựa trên mô tả hình thái của CIP (Gómez, 2000; Huamán và Gómez, 1994). Danh sách mô tả gồm 17 đặc điểm hình thái với 32 tính trạng đặc điểm hình thái trong đó có 18 đặc điểm được xác định ổn định với các điều kiện môi trường khác nhau. Mức độ đa dạng các giống khoai tây trồng đã nhận biết khoảng 2.223 và 2.097 mẫu nguồn gen. Trong vốn gen gia đình có tối thiểu 13 và tối đa là 160 giống duy nhất/ 1 quần thể phụ của vùng, nghĩa là các giống khác biệt ở mức có ý nghĩa và như vậy mức đa dạng rất cao. 4.2.3. Đặc điểm sinh học của cây khoai tây a. Đặc điểm thực vật học Khoai tây là cây thân thảo, tập tính sinh trưởng rất khác nhau giữa các loài và ngay cả trong cùng một loài. Khoai tây có dạng thân đứng và bán đứng, thân bao gồm thân, thân bò và củ, cây thực sinh có một thân chính nhưng trồng bằng củ có thể hình thành các nhánh. Tia củ (stolon) phát triển từ thân chính cũng hình thành củ hoặc hình thành mần sinh trưởng thành nhánh bên. Hình 5.10. Cấu tạo lá khoai tây (nguồn Huaman, Z. 1986) Hình 5.11. Hình thái củ khoai tây (nguồn Huaman, Z. 1986) b. Sinh sản Khoai tây là cây sinh sản hữu tính nhưng nhân giống vô tính, hoa khoai tây là hoa chùm hữu hạn, một chùm có từ 1 đến 30 hoa (phổ biến từ 7 đến 15 hoa) tùy theo giống. Hoa năm cánh và có đường kính 3-4 cm, đầu nhụy có 2 thùy (Acquaah, 2007). Cánh hoa có kích thước và màu sắc đa dạng là trắng, vàng, xanh, đỏ tía. Nhị đực đính với tràng hoa và mang bao phấn, bao phấn có màu vàng sáng trừ bao phấn bất dục. Hoa nở bắt đầu từ dưới lên trên, một ngày có 2 – 3 hoa nở và tồn tại 2 - 4 ngày, đầu nhụy có khả năng nhận phấn khoảng 2 ngày. Hoa nở vào buổi sáng, một số nở hoa suốt cả ngày. Khoai tây ra hoa trong điều kiện ánh sáng ngày dài (khoảng 16h). Hình 5.12. Hoa và quả khoai tây (nguồn Huaman, Z. 1986) 4.2.4. Di truyền một số tính trạng của cây khoai tây Khoai tây Solanum tuberosum là cây tự đa bội (2n = 4x = 48, 4EBN) và như vậy có 4 alen khác nhau tại 1 locus. Khoai tây là loài có khả năng nhân giống vô tính, như vậy tiến hóa của nó là hoạt động của gen không cộng tính hoặc lấn át. Do khoai tây tự đa bội tự nhiên nên xảy ra tương tác trong một locus và tương tác giữa các locus là một di truyền quan trọng đối với phương pháp chọn lọc để cải tiến tính trạng, xác định tăng dị hợp để tăng ưu thế lai. Mức độ dị hợp ảnh hưởng khác nhau của 4 alen trong một locus; sự đa dạng các alen cho dị hợp cao hơn và lớn hơn tương tác giữa các locus cho ưu thế lai cao hơn. Dạng củ khoai tây do một locus đơn (Ro ), tròn trội so với dạng củ dài, gen Ro trên nhiễm sắc thể 10. Locus này được liên kết chặt chẽ (4 cM) với độ sâu mắt củ, Eyd, với độ sâu trội hơn. Có bốn gen trội lớn, R, P, F, và I kiểm soát sắc tố anthocyanin ở vỏ và hoa. Locus R trên nhiễm sắc thể số 2 và P locus trên nhiễm sắc thể 11 có liên quan đến sinh tổng hợp anthocyanin màu đỏ và màu xanh. Locus F và I xác định có hay không R và P được thể hiện trong hoa (cánh hoa) và củ (cả vỏ và thịt củ) và được liên kết chặt chẽ với locus Ro trên nhiễm sắc thể 10 (Ro tại 42 cM, F tại 57 cM, và I tại 62 cM). Thịt củ màu trắng, vàng, hoặc màu da cam được kiểm soát bởi alen ở một vị trí duy nhất trên nhiễm sắc thể 3. Màu sắc chip phụ thuộc vào chất lượng của hàm lượng đường glucose và fructose trong củ do locus ADP-glucose pyrophosphorylase và invertase Pain-1 điều khiển. Chọn lọc nhờ marker phân tử (MAS) và marker chuyên biệt với tổ hợp 11 marker chuyên biệt alen liên kết với chất lượng củ. Tổng cộng, 69 gen đã được xác định và lập bản đồ tới 85 locus gen. Menendez và cs. (2002) xác định QTL trên nhiễm sắc thể 1, 3, 7, 8, 9, và 11, mỗi QTL trong số đó giải thích hơn 10% sự biến thiên của đường khử. Các QTL có liên quan đến gen giả định mã hóa enzyme invertase, sucrose synthase 3, đường phosphate synthase, pyrophosphorylase ADP-glucose, sucrose vận chuyển 1 và cảm biến sucrose. Một gen ứng cử viên trên nhiễm sắc thể 11 mã hóa pyrophosphorylase UDP-glucose (Sowokinos, 2001). Chống chịu sương giá hay chống chịu lạnh trong mùa Đông là một tính trạng phức tạp di truyền đa gen. Ngày nay các nhà nghiên cứu chưa phân biệt rõ di truyền tính trạng của hai thành phân này. Hai tính trạng không có tương quan ở quần thể phân ly cho thấy rằng hai tính trạng này điều khiển di truyền độc lập. Phân tích trung bình chỉ ra rằng tất cả phương sai của khả năng thích nghi khí hậu và một phần chính chống chịu sương giá không thích nghi là mô hình trội và cộng tính với 2 tính trạng lặn từng phần và cả 2 tính trạng được điều khiển bởi một số ít gen. Sử dụng chỉ thị phân tử đã xác định có 5 gen có khả năng kháng bệnh có giá trị cho các nhà chọn giống ứng dụng. Kasai và cs. (2000) đã phát triển chỉ thị SCAR cho gen Ry (từ andigena, trên nhiễm sắc thể 11) có khả năng kháng với PVY. Colton và cs. (2006) đã phát triển và kiểm tra kỹ chỉ thị dựa trên phản ứng PCR để theo dõi các gen RB từ S. bulbocastanum với tính kháng bệnh rụng lá. Gebhardt và cs. (2006) đã chứng minh việc sử dụng các chỉ thị chẩn đoán cho RX1 (khả năng kháng với PVX), Sen1 (kháng Synchytrium endobioticum pathotype 1, nguyên nhân gây ra mụn cóc khoai tây). Năm 1988 gen về tính kháng bệnh rụng lá, ghẻ, virus (PVY, PVA, PVX, PVM, và PVS), tuyến trùng nang và tuyến trùng rễ đã được lập bản đồ Bảng 5.6. Gen chính kháng sâu bệnh ở khoai tây Kháng sâu bệnh Gen NST Tài liệu tham khảo Late blight R1 (dms) 5 Ballvora và cs. 2002 R2 (dms) 4 Li và cs. 1998 R3a, R3b (dms) 11 Huang và cs. 2005 R5-R11 (dms) 11 Huang 2005 R10, R11 (dms) 11 Bradshaw và cs. 2006 Rpi-ber 10 Rauscher và cs. 2006 RB (blb) 8 Song và cs. 2003 Rpi-blb1 8 Van der Vossen và cs. 2003 Rpi-blb2 6 Park và cs. 2005a Rpi-blb3 4 Park và cs. 2005a Rpi-abpt (blb) 4 Park và cs. 2005b R2-like 4 Park và cs. 2005c Rpi-moc1 (mcq) 9 Smilde và cs. 2005 Rpi-pin1 (pnt) 7 Kuhl và cs. 2001 Wart Sen1 (tbr?) 11 Hehl và cs. 1999 Sen1-4 (tbr?) 4 Brugmans và cs. 2006 PVY Ry (adg) 11 Hamalainen và cs. 1997 Ry (sto?) 11 Brigneti và cs. 1997 Ry (sto) 12 Song và cs. 2005 Ry-f (sto) 12 Flis và cs. 2005 Ny (tbr) 4 Celebi-Toprak và cs. 2002 PVA Ra (adg) 11 Hamalainen và cs. 1998 Bảng 5.6. Gen chính kháng sâu bệnh ở khoai tây (tiếp) Kháng sâu bệnh Gen NST Tài liệu tham khảo PVX Rx1 (adg) 12 Bendahmane và cs. 1999 Rx2 (acl) 5 Bendahmane và cs. 2000 Nx (phu) 9 Tommiska và cs. 1998 Nb (tbr) 5 Marano và cs. 2002 PVM Gm (grl) 9 Marczewski và cs. 2006 Rm (mga) 11 Marczewski và cs. 2006 PVS Ns (adg) 8 Marczewski và cs. 2002 Golden potato cyst nematode Gro1 (spg) 7 Paal và cs. 2004 H1 (adg) 5 Bakker và cs. 2004 GroV1 (vrn) 5 Jacobs và cs. 1996 White potato cyst nematode Gpa2 (adg) 12 Rouppe van der Voort và cs. 1997 Gpa3 (tar) 11 Wolters và cs. 1998 Columbia root-knot nematode R-Mc1 (blb) 11 Brown và cs. 1996 R-Mc1-fen 11 Draaistra 2006 R-Mc1-hou 11 Draaistra 2006 Northern root-knot nematode R-Mh-tar 7 Draaistra 2006 Meloidogyne fallix root-knot nematode MfaXIIspl 12 Kouassi và cs. 2006 4.2.5. Mục tiêu trong chọn tạo giống khoai tây Mục tiêu lựa chọn giống sẽ khác nhau giữa các quốc gia, nhưng tất cả các chương trình có liên quan đến việc lựa chọn đầu tiên: Năng suất cao hơn, Sinh trưởng thích hợp, Ngủ nghỉ, chất lượng, sự phù hợp cho sử dụng và Khả năng chống chịu bất thuận sinh học và phi sinh học. Nhiều Quốc gia mục tiêu là chọn giống khoai tây mới: Phù hợp với yêu cầu thị trường, Năng suất cao và chất lương tốt hơn, Kháng sâu bệnh, ít mẫn cảm với môi trường và Chất lượng dinh dưỡng tốt 4.2.6. Phương pháp chọn giống khoai tây a. Chọn lọc tạo giống Chọn lọc tạo giống khoai tây được sử dụng với nguồn vật liệu di truyền và biến dị có sẵn của các chương trình tạo giống hay nhập nội. Phương pháp chọn lọc được áp dụng chủ yếu là chọn lọc chu kỳ và chọn dòng vô tính, Biến dị di truyền tối đa để chọn lọc những thế hệ đầu như cây con và thế hệ vô tính đầu tiên. Tăng hiệu quả chọn lọc ở giai đoạn này là kết quả chính để cải tiến chất lượng của vật liệu di truyền cho chọn lọc ở các giai đoạn sau. b. Lai và chọn dòng vô tính Bảng 5.7. Các bước chọn tạo giống khoai tây bằng phương pháp lai và chọn dòng vô tính Năm Giai đoạn Số dòng vô tính chọn 0 Lai , thu hoạch hạt, thông thường lai nhiều tổ hợp 106 1 Gieo hạt, 250 – 1.000 hạt một THL, giữ lại 1 củ/1 cây chọn 600.000 2 Những dòng vô tính năm thứ nhất, 1 cây/dòng. Thu hoạch sớm, giữ lại 6 - 8 củ/cây chọn 60.000 3 Dòng vô tính năm thứ 2, 6 đến 8 cây/dòng, thu hoạch sớm, tất các củ của một dòng giữ lại 15.000 4 Dòng vô tính năm thứ 3, một ô/dòng để lấy củ, thu hoạch sớm (20 cây); thí nghiệm quan sát ô và thu hoạch khi chín (16 - 20 cây) 5.000 5 Dòng vô tính năm thứ 4, một lô củ/một dòng, thu hoạch sớm, thí nghiệm quan sát ô (16-20 cây) tại một số điểm (địa phương) không lặp lại, thu hoạch đúng thời gian 1.500 6 Dòng vô tính năm thứ 5; một lô củ/một dòng, thu hoạch sớm, thí nghiệm quan sát ô (16-20 cây) tại nhiều điểm (địa phương); không lặp lại, những dòng tốt nhất đưa vào thí nghiệm sàng lọc. 500 7 Các dòng tốt nhất năm trước đưa so sánh giống trong ô thí nghiệm quan sát (16 - 20 cây) ở nhiều địa phương, không lặp lại, củ tạo ra phân riêng. Các dòng tốt nhất đưa vào thử ngiệm quốc gia. 200 9 Các dòng được so sánh với một số dòng đã khuyến cáo trong thí nghiệm năng suất ở nhiều địa phương có lặp lại. 15 - 20 10 Khuyến cáo giống: 3 - 6 c. Lai xa ở khoai tây Hình 5.13. Phương pháp lai các loài khoai tây không tạo củ có thể tạo giống khoai tây bằng lai bắc cầu (nguồn E. Jacobsen và cs, 1991 và Evert Jacobsen, 2008) Hình 5.15. Chương trình chọn lọc chu kỳ kiểu gen đa tính trạng (nguồn Bradshaw và cs, 2001) Ghi chú : DVT = dòng vô tính; TL = dòng khoai tây kháng bệnh tàn lá muộn; pcn = dòng khoai tây kháng thuốc trừ tuyến trùng (potato cyst nematodes) d. Đột biến tạo giống khoai tây Bảng 5.8. Các bước chọn giống khoai tây bằng đột biến Thế hệ Đặc điểm M1(M1V1) Hạt, hạt phấn, bộ phận sinh dưỡng hoặc mô nuôi cấy in vitro xử lý tác nhân lý học hoặc hóa học. M2(M1V2) Quần thể trồng từ hạt (M2) hoặc bộ phận sinh dưỡng (M1V2) thu hoạch từ M1 hoặc M1V1. Chọn lọc đột biến mong muốn của thế hệ này cho thế hệ tiếp theo. M3 – M8 (M1V3 - M1V8 ) Tiếp tục chọn lọc, khẳng định di truyền, nhân và ổn định hóa biểu hiện các dòng đột biến trên đồng ruộng. 3 thế hệ tiếp theo Phân tích so sánh các dòng đột biến qua các vụ, các năm và các địa phương khác nhau. 2 thế hệ tiếp theo Thí nghiệm khảo nghiệm trước khi phóng thích giống mới e. Lai tế bào soma tạo giống khoai tây Hình 5.16. Sơ đồ phát triển khoai tây lai tế bào soma đơn bội Hình 5.17. Hình thái củ và lá ( ký hiệu 62) của dòng khoai tây lai tế bào soma giữa khoai tây dại và khoai tây trồng (nguồn Menke và cs., 1996) f. Chọn lọc MAS ở khoai tây 5 bước chính chọn lọc khoai tây nhờ marker (MAS) gồm: 1.Lai để tạo con cái các thế hệ phân ly, nắm được giá trị di truyền và hệ số di truyền của con cái. 2.Trồng cây con 3.Chọn mẫu và tách chiết DNA từ mỗi con cái a. PCR trực tiếp khi không yêu cầu phân lập thêm DNA b. Một bước phân lập DNA c. Nhiều bước phân lập DNA không có ni tơ lỏng d. Nhiều bước phân lập DNA có ni tơ lỏng 4.Để áp dụng marker phân tử với các mẫu DNA có thể thực hiện a. Một bước ứng dụng marker (như real-time PCR) b. Hoặc đa bước bao gồm khuyếch đại, nhân bản và quan sát 5.Để chọn lọc cây con hầu hết các alen chuyên biệt được xác định bằng marker h. Khoai tây biến đổi gen Các giống khoai tây biến đổi di truyền đã thành công và phát triển rộng rãi trong tạo giống. Gen mong muốn có thể được tìm thấy trong khoai tây canh tác và họ hàng hoang dại được clone và chuyển gen. Các ưu tiên hiện nay trên toàn thế giới là cloning gen kháng tự nhiên và chuyển chúng vào giống cây trồng thích nghi tốt nhưng mẫn cảm. Việc sử dụng các gen cry để kiểm soát côn trùng trong khoai tây đã được thực hiện vào cuối những năm 1980. Chuyển gen kháng với bướm củ khoai tây (Phthorimaea operculella Zeller) đã được cung cấp bởi các protein Bt mã hóa bởi cry5 . Chuyển gen kháng với bọ cánh cứng khoai tây được cung cấp bởi gen cry3A, mã hóa các protein Cry3A từ vi khuẩn Bacillus thuringiensis var. tenebrionis, bằng cách sử dụng promoter 35S CaMV. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ g. Chọn giống cây trồng cho hạt thực sinh (TPS) Tạo giống TPS trồng trọt đã được bắt đầu tại CIP vào năm 1972 với mục tiêu năng suất cao và đồng đều chấp nhận được. TPS hiện chọn giống nhằm mục đích để sản xuất giống tứ bội, hoặc từ lai 4x × 4x. Việc sử dụng bất dục đực có thể được sử dụng trong tạo hạt TPS.  Hạt giống tổng hợp là một thay thế cho TPS mà có thể tránh sự cần thiết phải phát triển các bố mẹ tạo ra thống nhất lai. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/