Nguyên lý và phương pháp chọn giống cây trồng

7/18/15 1 MÔN HỌC NGUYÊN LÝ VÀ PHƢƠNG PHÁP CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG Lý thuyết: 22 tiết Thực hành: 08 tiết Giảng viên: TS. Trần Văn Quang Mục tiêu môn học: Cung cấp những nguyên lý, phƣơng pháp và kỹ thuật cơ bản áp dụng trong chọn tạo và cải tiến giống cây trồng NỘI DUNG 1. Một số khái niệm trong chọn giống cây trồng 2. Nguồn gen thực vật trong chọn giống cây trồng 3. Sinh sản ở thực vật ứng dụng trong chọn giống cây trồng 4. Thống kê sinh học ứng dụng trong chọn giống cây trồng 5. Phƣơng pháp tạo biến dị trong chọn giống cây trồng 6. Chọn giống ở cây sinh sản vô tính 7. Chọn giống ở cây tự thụ phấn 8. Chọn giống ở cây giao phấn 9. Chọn giống ƣu thế lai 10. Đánh giá và công nhận giống cây trồng Nhiệm vụ của sinh viên: • Dự lớp đầy đủ • Thực hành và viết báo cáo • Tham gia thảo luận, viết tiểu luận. TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ - Bài tập, thực tập, seminar, tiểu luận: 10% - Kiểm tra giữa học kỳ: 30% - Thi cuối học kỳ: 60% Thang điểm: 10 TÀI LIỆU THAM KHẢO • Giáo trình: Chọn giống cây trồng, 1997, 2000, 2005, 2013 • Giáo trình chọn giống (Viện KHKT NN Việt Nam), 1997 • Allard, R. W. Principles of Plant Breeding. John Wiley and Sons, Inc., N.Y., 1960. • Borojevic, S. Principles and Methods of Plant Breeding. Elsevier, 1990. • George Acquaah (2007), Principles of Plant Genetics and Breeding" ; Wiley-Blackwell • Simmonds, N. W. Principles of Crop Improvement. Longman Group Ltd., London, 1979. • Tạp chí chuyên ngành • Mạng Internet Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 2 Chƣơng 1 MỞ ĐẦU 1.1. KHÁI NIỆM N.I.Vavilov (1951): “Chọn giống cây trồng là sự định hƣớng tiến hóa của thực vật bởi con ngƣời”, Stebbins (1957): “Chọn giống cây trồng tƣơng tự nhƣ là sự tiến hóa của thực vật trong tự nhiên, nó đơn thuần là sự tiếp tục tiến hóa của các loài cây trồng nhƣng theo hƣớng tốt hơn cho con ngƣời”; Frankel (1958): “Chọn giống cây trồng là điều khiển cây trồng phục vụ con ngƣời”; Smith (1966): “Chọn giống cây trồng là một khoa học và là một nghệ thuật cải tiến phƣơng thức di truyền ở thực vật liên quan đến các tính trạng kinh tế của chúng cho mục đích sử dụng của con ngƣời”; Riley (1978): “Chọn tạo giống cây trồng là công nghệ tạo ra giống cây trồng phù hợp với nhu cầu của con ngƣời”; Riley (1979): “Chọn giống cây trồng là một công nghệ có mục đích tạo ra vật liệu trồng trọt hoặc giống, tiến bộ hơn những giống hiện có về năng suất, tính ổn định, lợi ích nông học hoặc chất lƣợng thị trƣờng”; Poehlman & Sleeper (1995): “Chọn giống cây trồng là khoa học và cũng là nghệ thuật cải tiến di truyền ở thực vật theo lợi ích của con ngƣời”. Một khái niệm chung“Chọn giống là môn khoa học cũng là môn nghệ thuật về sự thay đổi, cải thiện tính di truyền của cây trồng. Nói một cách khác chọn tạo giống cây trồng là “chọn lọc” từ các biến dị tự nhiên cũng nhƣ nhân tạo có trong quần thể để tạo ra giống mới”. Pháp lệnh giống cây trồng (Số 15/2004/PL-UBTV11 ngày 24 tháng 3 năm 2004) đã đƣa ra khái niệm về giống cây trồng và giống cây trồng mới nhƣ sau:  Giống cây trồng là một quần thể cây trồng đồng nhất về hình thái và có giá trị kinh tế nhất định, nhận biết đƣợc bằng sự biểu hiện của các đặc tính do kiểu gen quy định và phân biệt đƣợc với bất kỳ quần thể cây trồng nào khác thông qua sự biểu hiện của ít nhất một đặc tính và di truyền đƣợc cho đời sau.  Giống cây trồng mới là giống cây trồng mới đƣợc chọn, tạo ra hoặc mới đƣợc nhập khẩu lần đầu có tính khác biệt, tính đồng nhất, tính ổn định nhƣng chƣa có trong Danh mục giống cây trồng đƣợc phép sản xuất, kinh doanh. 1.2. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KHOA HỌC CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG Khoa học chọn giống cây trồng đã trải qua ba thời kỳ: (i) Thời kỳ thứ nhất bắt đầu từ khi con ngƣời phát minh ra nền nông nghiệp; (ii) Thời kỳ thứ hai trƣớc Mendel (iii) Thời kỳ thứ ba sau Mendel cho đến nay. Bảng 1.1. Những sự kiện nổi bật trong lịch sử di truyền và chọn tạo giống cây trồng Năm Sự kiện nổi bật 9000 BC Bằng chứng đầu tiên về thuần hóa thực vật hoang dại thành cây trồng ở vùng đồi trên sông Tigris (sông chảy từ Đông Nam Thổ Nhĩ Kỳ qua Iraq) 3000 BC Tất cả các cây lƣơng thực quan trọng đã đƣợc thuần hóa của thế giới cổ xƣa 1000 BC Tất cả các cây lƣơng thực quan trọng đã đƣợc thuần hóa của thế giới hiện đại 1694 Camerarius ngƣời Đức chứng minh giới tính ở thực vật và gợi ý lai là một phƣơng pháp để nhận đƣợc kiểu cây mới 1716 Mather ngƣời Mỹ quan sát lai tự nhiên ở ngô 1719 Thomas Fairchild tạo tổ hợp lai đầu tiên (Carnation x Sweet William), cẩm chƣớng khác loài (Dianthus caryophyllus L. x Dianthus barbatus L.) 1727 Công ty Vilorin của Pháp giới thiệu phƣơng pháp chọn lọc phả hệ (Pedigree Method) 1766 Koelreuter ngƣời đầu tiên lai tạo giống và mô tả con lai giữa hai loài thuốc lá 1859 Darwin công bố cuốn sách “Nguồn gốc các loài qua chọn lọc tự nhiên” 1866 Mendel phát minh các định luật di truyền 1899 Hopkins mô tả phƣơng pháp chọn lọc bắp trên hàng trong chọn tạo giống ngô Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 3 Bảng 1.1. Những sự kiện nổi bật trong lịch sử di truyền và chọn tạo giống cây trồng (tiếp) Năm Sự kiện nổi bật 1900 De Vries, Correns và Tscherrmark độc lập tái khẳng định các định luật di truyền của Mendel 1903 Johansen đƣa ra thuật ngữ kiểu gen, kiểu hình và dòng thuần; Lý thuyết chọn lọc dòng thuần đƣợc đƣa ra lần đầu tiên 1908 Shull và East độc lập đƣa ra giả thuyết siêu trội của hiện tƣợng ƣu thế lai ở ngô 1908 Davenport lần đầu tiên đƣa ra giả thuyết tính trội của hiện tƣợng ƣu thế lai 1909 Hardy và Weinberg đƣa ra định luật cân bằng di truyền quần thể 1914 Shull lần đầu tiên sử dụng thuật ngữ Heterosis mô tả sức sống ƣu thế lai 1917 Jones phát triển giống ngô lai thƣơng mại đầu tiên 1925 East và Mangelsdorf lần đầu tiên phát hiện tự bất hợp giao tử ở thuốc lá 1926 Vavilov phát hiện các Trung tâm phát sinh cây trồng thế giới (8 trung tâm chính và 3 trung tâm thứ cấp) và học thuyết “Dãy biến dị tƣơng đồng” 1928 Stadler lần đầu tiên sử dụng tia X gây đột biến tạo giống cây trồng 1935 Vavilov xuất bản cuốn sách “Cơ sở khoa học của chọn giống cây trồng” 1937 Harrington đề xuất phƣơng pháp chọn lọc phả hệ trong tạo giống 1939 Goulden lần đầu tiên đƣa ra phƣơng pháp chọn lọc một hạt ƣu tú Bảng 1.1. Những sự kiện nổi bật trong lịch sử di truyền và chọn tạo giống cây trồng Năm Sự kiện nổi bật 1940 Jenkins mô tả phƣơng pháp chọn lọc chu kỳ 1944 Avery, Macleod và McCarty khám phá ADN là vật liệu di truyền 1945 Hull đề xƣớng phƣơng pháp chọn lọc chu kỳ trong tạo giống 1953 Watson, Crick và Wilkins phát minh mô hình chuỗi xoắn kép của phân tử ADN 1966 Giống lúa cải tiến thấp cây đầu tiên lai tạo ở IRRI giữa Dee-Geo-woo-gen x Peta (1962) và đƣa ra sản xuất năm 1966 1970 - Norman Borlaug nhận giải Nobel cho cuộc cách mạng xanh. - Trung Quốc khám phá ra công cụ di truyền CMS cho chọn tạo giống lúa lai, Yuan Longping đƣợc coi là cha đẻ lúa lai. 1973 Herbert Boyer và Stanley Cohen bắt đầu sử dụng enzymes cắt plasmid của vi khuẩn và lồng sợi đôi ADN khác vào plamid. 1975 Paul Naim Berg trình bày về tái tổ hợp ADN, ông nhận giải Nobel năm 1980 cho công trình nghiên cứu của mình 1974 Giống lúa lai ba dòng chọn tạo thành công và thƣơng mại ở Trung Quốc 1986 Mỹ cấp Patent cho ngô chuyển gen đầu tiên 2000 Giải trình tự toàn bộ genome cây Arabidopsis 2002 Goff và cs.; Yu và cs., 2002 giải trình tự bộ genome của lúa 1.3. TẦM QUAN TRỌNG VÀ MỤC TIÊU 1.3.1. Tầm quan trọng của chọn tạo giống cây trồng Giống mới đã góp phần làm cho sản xuất nông nghiệp phát triển: các giống lúa mới tăng năng suất 50-60%, ngô tăng từ 5 đến 10 tấn/ha. Các kỹ thuật mới đƣợc sử dụng trong chọn giống cây đƣợc ứng dụng để tạo ra các tế bào hoặc những giống mới. Sự phát triển giống mới có năng suất cao là biện pháp chính để tăng sản lƣợng lƣơng thực. Tuy nhiên, các giống mới lại đòi hỏi điều kiện sản xuất thâm canh không phải nơi nào cũng đáp ứng đƣợc. Hiện tƣợng biến đổi khí hậu đòi hỏi công tác chọn tạo giống cần phải tạo những giống cây trồng có năng suất, chất lƣợng, thích nghi với điều kiện bất thuận sinh học (sâu, bệnh) hay bất thuận phi sinh học (hạn, mặn, nóng, lạnh) 1.3.2. Mục tiêu Đảm bảo nâng cao đa dạng di truyền, đa dạng sinh học cho phát triển bền vững; Tăng năng suất và sản lƣợng đảm bảo an ninh lƣơng thực; Đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của con ngƣời về cải tiến chất lƣợng, giá trị kinh tế, văn hoá, khoa học, thẩm mỹ Tạo giống thích ứng với môi trƣờng, đặc biệt với môi trƣờng thay đổi; Tạo giống chống chịu sâu bệnh và dịch hại; Tạo giống phù hợp cho cơ giới hóa; Tạo giống phù hợp cho công nghiệp chế biến; Tạo giống rút ngắn thời gian sinh trƣởng. 1.4. THÀNH TỰU CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG  Chọn giống cây trồng hiện đại là tạo giống cây trồng năng suất cao, đóng góp quan trọng vào sự phát triển của các quốc gia, nhất là những nƣớc nghèo trong việc đảm bảo an ninh lƣơng thực.  Chọn giống cây trồng cũng có mục tiêu nâng cao tính trạng về thành phần các hợp chất hữu cơ trong sản phẩm nhƣ chất lƣợng dinh dƣỡng hoặc đáp ứng yêu cầu của công nghiệp chế biến.  Chọn giống thích ứng với điều kiện môi trƣờng, chống chịu điều kiện bất thuận phi sinh học hạn, lạnh, nóng, ngập cũng đƣợc quan tâm.  Chọn giống chống chịu sâu bệnh và dịch hại thành công với nhiều loài cây trồng 1.5. NHỮNG TIẾN BỘ MỚI TRONG CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG  Chọn tạo giống ƣu thế lai đã thành công ở nhiều loài cây trồng tạo ra bƣớc nhảy vọt về năng suất và chất lƣợng (Virmani S.S. và cs., 2003).  Giống cây trồng biến đổi gen đã có những thành công to lớn trong chọn tạo giống cây trồng kháng sâu bệnh, chống chịu điều kiện bất thuận của môi trƣờng, giống chất lƣợng.  IRRI đã thành công tạo giống chịu ngập, hạn, kháng bệnh bạc lá, giống lúa chất lƣợng tăng protein và sắt trong hạt (Golden rice), giống lúa C4 (IRRI, 2011);  Cà chua có thời gian bảo quản dài thành công năm 1994, ngô đƣờng chuyển gen kháng sâu (FAO, 2004). Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 4 1.6. CÁC BƢỚC TRONG CHỌN TẠO GIỐNG CÂY TRỒNG - Thu thập vật liệu di truyền (nguồn gen thực vật) - Đánh giá phân loại vật liệu di truyền - Tạo biến dị cho nguồn vật liệu - Chọn lọc - Đánh giá sau chọn lọc - Khảo nghiệm (khảo nghiệm DUS và VCU) - Khu vực hóa - Nghiên cứu kỹ thuật sản xuất hạt giống - Thƣơng mại giống cây trồng mới. 1.7. MỐI QUAN HỆ CHỌN GIỐNG CÂY TRỒNG VỚI CÁC LĨNH VỰC KHÁC Chọn giống cây trồng Thực vật học Di truyền học Công nghệ sinh học Khoa học cây trồng Thống kê sinh họcSinh lý thực vật Bệnh học Côn trùng học Hoá sinh thực vật Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/