Sinh học - Di truyền ứng dụng

7/18/15 1 Di truyền ứng dụng Ngô Thị Hồng Tươi NH3045 (2TC: 1,5 - 0,5)  Học phần tiên quyết: Sinh học đại cương, thực vật, di truyền thực vật đại cương  Dự lớp: >75%  Thực hành: 100% số bài và đạt điểm kiểm tra thực hành  Chuyên cần: 10%  Kiểm tra giữa kỳ, thực hành: 30%  Điểm thi cuối kỳ: 60% Tài liệu tham khảo:  Nguyễn Hồng Minh, Di truyền học 1999 - NXB Nông nghiệp  - Falconer D. S. Introduction to Quantitative Genetics, 1986  - Leland H. Hartwell et al. Genetics: From Genes to Genomes, 2nd edtion , 2003  - Liang G. H. Plant Genetics, 1990  - Demarly Y. Génétique et Amelioration des Plants, 1987  - Zhuchenco A.A. et al. Genetics. 2004 (Bản tiếng Nga) Nội dung môn học:  Chương 1: Di truyền các hệ thống sinh sản ở thực vật  Chương 2: Di truyền tihns trạng số lượng, cận phối và ưu thế lai  Chương 3:Lai xa, phân tích tương đồng genome và phân tích lệch bội  Chương 4: Di truyền tế bào xoma và kỹ thuật di truyền thực vật  Chương 5: Di truyền phát triển cá thể và tiềm năng thích ứng ở thực vật  Chương 6: Thích ứng phát triển cá thể và thích ứng quần thể Các bài thực hành:  Bài 1: Phân tích các hệ thống bất hợp và bất dục ở thực vật  Bài 2: Phân tích di truyền tính trạng số lượng  Bài 3: Cận phối và ước lượng ưu thế lai  Bài 4: Phân tích genome và phân tích các thể lệch bội Chương 1. Di truyền các hệ thống sinh sản ở thực vật Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 2 1.1. Biểu hiện giới tính và các cơ chế kiểm soát quá trình tự thụ phấn ở thực vật  Nhị => hạt phấn => tinh tử  Nhuỵ => non => bào trứng  Nếu cùng 1 cây trên cùng 1 hoa => hoa lưỡng tính  Nếu ở hai hoa khác nhau => hoa đơn tính (đơn tính cùng gốc, đơn tính khác gốc) Trµng Nhụy NhÞ L¸ ®µi BÇu nhôy Hoa lưỡng tÝnh Hoa ®¬n tÝnh Một số dạng trung gian:  Hoa lưỡng tính + hoa đơn tính cái => hoa lưỡng tính cái Ví dụ: các cây hoa phức  Hoa lưỡng tính + đơn tính cái = 1 : cây kinh giới  Hoa lưỡng tính + hoa đơn tính đực => hoa lưỡng tính đực  Ví dụ: hoa tán  (Dưa chuột: có hoa lưỡng tính + đơn tính cái, hoa lưỡng tính + đơn tính đực, hoa đơn tính cùng gốc, hoa đơn tính cái) Hoa cái ở xung quanh, hoa lưỡng tính ở giữa Cúc tần: Hoa cái xếp trên nhiều dãy, hoa lưỡng tính nhiều Hoa điều: hoa đực và hoa lưỡng tính Hoa kinh giới: có hoa lưỡng tính và hoa cái với tỷ lệ bằng nhau Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 3 Phân bố hoa trên cây: Với hoa đực và hoa cái riêng rẽ: -Ở các vùng khác nhau: Cách xa, vị trí khác nhau của cùng 1 cây => đơn tính cùng gốc. Ví dụ: bầu bí có hoa đực và hoa cái riêng rẽ, ngô có chùm hoa đực và cái riêng + Ở trên trục hoa: gần nhau, cùng 1 cây (cùng 1 chùm hoa) Ví dụ: Thầu dầu có hoa đực và hoa cái trong cùng chùm hoa nhưng hoa đực phần trên hoa cái phần dưới. Cỏ nến: đơn tính cùng gốc hợp thành bông riêng cách nhau 0,6 - 5,5cm - Ở hai cây khác nhau => đơn tính khác gốc Ví dụ: chà là, đu đủ, cải bó xôi, măng tây...  Đơn tính cùng gốc Cỏ nến: đơn tính cùng gốc hợp thành bông riêng cách nhau 0,6 -5,5cm Hoa đực Hoa lưỡng tính Solanum carolinense Hoa lưỡng tính đực Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 4 Đơn tính khác gốc Thầu dầu (Ricinus communis): Hoa cái giữa, hoa đực bao xung quanh Cây bá bệnh: đơn tính khác gốc Thời gian chín của nhị và nhuỵ: - Cùng chín - Lệch giao: hoa đực và hoa cái thành thục (chín) ở các thời điểm khác nhau. + Nhị chín trước: ngô, hành, cà rốt, kê, mần trầu... + Nhuỵ chín trước: Chè, cacao.. Nhị nhụy chín cùng một lúc Cây hành Lệch giao:Nhị chín trước nhụy 7/18/15 5 Cà rốt (Daucus): Nhị chín trước nhụy Cây chè (Camellia sinensis): Nhụy chín trước nhị Hiện tượng lệch giao Nhị chín trước nhuỵ Nhuỵ chín trước nhị Magnolia grandiflora Các biến đổi do đột biến: Thoái hoá nhị hoặc hạt phấn: cây lưỡng tính trở thành cây đơn tính (bất dục đực). 7/18/15 6 Bất dục đực Kiểm soát di truyền:  Do yếu tố di truyền: - Do các gen kiểm soát biểu hiện giới tính (đa dạng) - Do NST giơí tính: ứng với trường hợp đơn tính khác gốc (hiếm)  Do cân bằng các phytohoocmon - Do tác dụng của hoócmôn và điều kiện ngoại cảnh tương quan đến biểu hiện giới tính. Gibberellin - tăng hoa đực Ethrene - tăng hoa cái  tỷ lệ biểu hiện hoa đực và hoa cái khác nhau trên cây. Các gen kiểm soát biểu hiện giới tính có liên quan tới tổng hợp các Phytohoocmon => ảnh hưởng tới biểu hiện giới tính. 1.1.2. Những cơ chế kiểm tra quá trình tự thụ phấn a. Một số khái niệm: - Khái niệm tự thụ phấn: hạt phấn thụ phấn cho nhuỵ ở chính hoa của mình hoặc hoa trên cùng một cây. Ví dụ: lúa nước, lúa mỳ, đậu tương, cà chua... - Tự phối: là trường hợp các giao tử đực và giao tử cái của cùng một cá thể sinh vật lưỡng tính phối hợp với nhau tạo nên các hợp tử. - Nội phối: là sự giao phối không ngẫu nhiên xảy ra giữa các cá thể có quan hệ họ hàng gần. 7/18/15 7  Cơ chế kiểm tra quá trình tự thụ phấn: + Cấu trúc hoa: Ở nhiều loài cây mặc dù thụ phấn thường diễn ra sau khi hoa nở, tự thụ phấn được đảm bảo nhờ cấu trúc hoa: + Hoa lưỡng tính (có khả năng tự thụ cao).  + Nhị bao quanh đầu nhuỵ, vị trí cảu bao phấn so với đầu nhuỵ bảo đảm cho quá trình tự thụ phấn (cà chua, cà).  + Nhị và nhuỵ được các cơ quan khác của hoa che khuất, ngăn cản quá trình giao phấn (cây đậu đỗ).  + Đầu nhuỵ có khả năng tiếp nhận phấn và vươn dài xuyên qua bó nhị, bảo đảm tỷ lệ thụ phấn cao.  + Thời gian tung phấn để thụ phấn hợp lý vào thời điểm xác định (thường là buổi sáng), nhị và nhuỵ chín đồng thời. =>tuy nhiên không có tự thụ phấn tuyệt đối (khi giao phấn tự nhiên <10%), mức độ nhận phấn ngoài là rất khác nhau ở các loài tự thụ phấn và phụ thuộc vào mùa vụ. - Sự tự thụ phấn có ưu điểm là cơ chế của nó rất đơn giản. - Nhược điểm: 2 giao tử tham gia sinh sản đều thuộc cùng 1 cây, hơn nữa chúng lại phát triển trong cùng 1 hoa. Vì vậy, những đặc điểm di truyền của chúng đơn điệu. Con cái sinh ra do tự thụ phấn ít biến đổi và ít mềm dẻo thích nghi. Ưu điểm và nhược điểm củ tự thụ phấn: Hoa đậu Hoa cà chua Hoa cà 1.1.3. Những cơ chế kiểm tra quá trình giao phấn chéo a. Khái niệm giao phấn chéo: hạt phấn của cây này thụ phấn cho nhuỵ hoa của cây khác. - Sự chuyển phấn từ cây này sang cây khác được thực hiện nhờ gió và côn trùng. - Giao phấn chéo ngẫu nhiên: sự gặp gỡ giao tử đực và giao tử cái là ngẫu nhiên. b. Các cơ chế kiểm soát giao phấn chéo: - Lệch giao: hoa lưỡng tính nhưng nhị và nhuỵ không chín cùng lúc. - Hoa đơn tính - Xuất hiện đột biến làm cho hoa lưỡng tính có cấu trúc không tương hợp về nhị và nhuỵ (bao phấn và đầu vòi nhuỵ) hay bao phấn không mở. - Do kiểm soát về cơ chế tự bất hợp - Do xuất hiện dạng bất dục đực, hiện tượng bất thụ - Cơ chế cạnh tranh hạt phấn (nội, ngoại) 7/18/15 8 Những hoa do sâu bọ truyền phấn thường có những đặc điểm sau:  Màu sắc sặc sỡ  Hoa có kích thước lớn, nếu hoa nhỏ sẽ tập hợp lại thành cụm hoa lớn, sâu bọ dễ thấy.  Dáng đẹp và đặc biệt, dễ hấp dẫn sâu bọ.  Để tăng thêm sức hấp dẫn sâu bọ từ xa một số hoa có mùi đặc biệt (thơm, thối).  Hạt phấn có kích thước lớn, màng ngoài có chất sinh để dễ dàng bám vào chân hoặc cánh sâu bọ. Hoa của những cây truyền phấn nhờ gió:  Hoa thường không đẹp.  Bao hoa tiêu giảm, đôi khi chỉ còn là những vảy nhỏ, không màu hoặc khô xác như vậy sẽ không cản trở việc hạt phấn rơi vào trong hoa. Có khi có hoa trần không có bao hoa.  Chỉ nhị thường dài mảnh, thò ra ngoài khi hoa chín, bao phấn đính lưng dễ đung đưa theo gió để mang hạt phấn đi.  Hạt phấn thường nhỏ, nhẹ. Một vài trường hợp đặc biệt, đầu nhuỵ có thể kéo dài thành hình sợi mang chùm lông để dễ dàng quét hạt phấn (ví dụ họ lúa). Ưu – nhược điểm của giao phấn chéo: Ưu điểm: Giao phấn duy trì được lượng dị hợp tử cho nên chúng đảm bảo cho việc hình thành thế hệ con cháu có sức sống cao hơn, kết hợp được các đặc tính tốt của bố và mẹ, tính biến dị dễ dàng hơn và dễ thích nghi với những biến đổi của điều kiện sống. Nhược điểm: không phải lúc nào cũng thực hiện được, vì còn phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài trong đó tác nhân truyền phấn rất quan trọng. 1.2. Hiện tượng bất hợp ở thực vật 1.2.1. Khái niệm, phân loại: a. Khái niệm: - Tự bất hợp là hiện tượng hạt phấn không nảy mầm và phát triển ống phấn trên nhuỵ cái của cây chính nó. - Đó là phản ứng giữa hạt phấn và nhuỵ xảy ra trước thụ tinh ngăn cản sự nảy mầm và ống phấn phát triển. Hiện tượng này do nhân tố di truyền quyết định được kiểm soát bởi một hệ thống đa alen (alen S). 7/18/15 9 b. Phân loại * Theo hình thái hoa: - Bất hợp dị hình: trong hệ thống này cấu trúc hoa có những khác biệt không cho phép sự tự thụ phấn xảy ra. + Đó là hiện tượng không tương hợp giữa vị trí nhị và nhuỵ, hoặc đối lập về độ lớn giữa hạt phấn với tế bào núm nhuỵ. Dạng vòi nhuỵ dài thường có tế bào núm nhuỵ to, hạt phấn bé Dạng vòi nhuỵ ngắn thường có tế bào núm nhuỵ bé, hạt phấn to + Hiện tượng vòi nhuỵ ngắn dài do 2 alen S và s kiểm soát - Bất hợp đồng hình Primula: bất hợp dị hình Hoa mảnh có nhuỵ dài và nhị ngắn, hoa thô có nhị dài nhuỵ ngắn. Như vậy trong những loài này phấn hoa trên cùng một hoa không thể thụ cho nhau được. Ss được sinh ra trong loại hình thô ss được sinh ra trong loại hình mảnh Kiểu hình của hoa: mảnh x thô Kiểu gen của cây: ss Ss Giao tử: s S s Phản ứng tự bất hợp của hạt phấn: tất cả s Phản ứng tự bất hợp của vòi nhuỵ: s tất cả S ss x ss - không tương hợp Ss x Ss - không tương hợp ss x Ss - 1Ss : 1ss Ss x ss - 1Ss : 1ss b. Phân loại theo kiểm soát di truyền: + Bất hợp giao tử thể + Bất hợp bào tử thể 1.2.2. Bất hợp giao tử thể  East và Mangelsdorf (1925) là những người đầu tiên phát hiện ra tính không hợp ở trạng thái giao tử thể ở thuốc lá Nicotiana sanderae.  Có >60 họ thực vật hạt kín, điển hình cây họ đậu, cà, hoà thảo.  Khái niệm: Phản ứng giữa alen S ở hạt phấn với alen S ở tế bào trứng (trạng thái n giao tử thể) theo nguyên tắc là: Giống nhau → bất hợp Khác nhau → không bất hợp (thụ phấn) - Bản chất: Kích hoạt gen S tổng hợp protein: S1 ở hạt phấn → pr1 S1 ở bào trứng → pr1’ pr1 + pr1’ → phức hợp ngăn cản Các S khác nhau → pr khác nhau → không tạo phức hợp ngăn cản - Các ví dụ: + Tự thụ: ♀S1 S2 x ♂ S1S2 → không tạo hợp tử + Giao phấn chéo: ♀ S1S2 x ♂ S1S3 → S1S3, S2S3 ♀ S1S2 x ♂ S3S5 → S1S3, S2S3, S1S5, S2S5 7/18/15 10 1.2.3. Bất hợp bào tử thể  Hughes và Bubcock (1950) phát hiện ở loài Crepis foetida và Parthenium argentatum. Phổ biến với họ hoa thập tự và hoa kép, cải, cúc  Phản ứng giữa alen S ở hạt phấn với các alen S ở mô 2n vòi nhụy cái (trạng thái 2n → bào tử thể): - Một trong hai alen S ở mô vòi nhụy cái có quan hệ trội – lặn với alen S ở hạt phấn → hạt phấn nảy mầm (không bất hợp) - Một trong hai alen S ở mô vòi nhụy cái không có quan hệ trội – lặn với alen S ở hạt phấn (giống nhau) → hạt phấn không nảy mầm (bất hợp) 1.2.4. Các biện pháp khắc phục tính bất hợp và ứng dụng  Thụ phấn vào giai đoạn còn non, thụ phấn muộn, tác động của nhiệt độ cao và một số hoá chất như CO2, xử lý một số chất hoocmon sinh trưởng như AIA, ANA...  Chuyển cây sang trạng thái tứ bội, tiến hành làm gần sinh lý bằng ghép cây thuận nghịch, thụ phấn bằng hỗn hợp hạt phấn, cắt bỏ mô đầu vòi nhuỵ cái rồi thụ phấn...  Ý nghĩa: Có ý nghĩa lớn trong tiến hoá, là một trong các cơ chế di truyền kiểm tra sự thụ phấn chéo ở thực vật. Giao phấn chéo tạo lên các dạng lai gây đa dạng kiểu gen và có sức sống cao.  Ứng dụng trong chọn giống và nhân giống đối với cây có hiện tượng này để sản xuất hạt lai bằng cách chọn hai quần thể bố mẹ đồng dạng theo tính trạng nông học để thu được dạng lai đồng nhất đồng đều.  Ví dụ: xu hào, bắp cải. 1.3. Bất dục đực ở thực vật 1.3.1. So sánh các khái niệm: bất hợp, bất thụ, bất dục - Bất hợp: Phản ứng từ chối của vòi nhụy cái ngăn cản hạt phấn (của cây chính nó) nảy mầm hoặc ngăn cản ống phấn không vươn tới túi phôi. Chủ yếu do yếu tố di truyền kiểm soát. - Bất thụ: Hạt phấn bình thường (hữu dục) nhưng không thụ phấn được (bất thụ) do các nguyên nhân sau: + Nguyên nhân di truyền: Các biến đổi bất thường ở cơ quan sinh sản (hoa) như vòi nhụy cái vươn cao (hạt phấn không rơi vào được), bao phấn liên kết, dính → không tung phấn,... + Nguyên nhân môi trường: Giảm, thiếu các yếu tố truyền phấn, do tác động bất thuận (ẩm độ, nhiệt độ, ...) rơi vào thời gian tung phấn – thụ phấn → không nảy mầm. 7/18/15 11 - Bất dục đực: Các sự cố liên quan tới quá trình giảm phân, quá trình phát triển hạt phấn dẫn tới hạt phấn không hình thành hoặc hạt phấn ít (nghèo), hạt phấn không tích lũy đủ dinh dưỡng (năng lượng) làm cho chúng không nảy mầm được (hạt phấn bất dục). + Do nguyên nhân di truyền: Các gen nhân gây bất dục, yếu tố tế bào chất gây bất dục, tương tác với các gen. + Do môi trường: Các yếu tố bất thuận lớn tác động vào giai đoạn hình thành và phát triển hạt phấn làm cho hạt phấn không tích lũy đủ dinh dưỡng (năng lượng) → hạt phấn bất dục (không nảy mầm) => Ba hiện tượng khác nhau trên đều dẫn tới hệ quả giống nhau là: Không thụ tinh, không tạo thành hợp tử nội nhũ (hạt lép) 1.3.2. Các dạng bất dục đực do gen nhân kiểm soát a. Gen gây bất dục ít mẫm cảm với yếu tố môi trường (hệ thống 3 dòng): - Các gen này thể hiện lặn do 1 hoặc 2 cặp gen lặn kiểm soát trong nhân, ký hiệu là ms - Dòng bất dục đực: msms - Dòng phục hồi: MsMs - Dòng duy trì: Msms - Nếu gen gây bất dục ms ít chịu ảnh hưởng của môi trường thì dễ điều khiển và thu nhận được các dạng bất dục hoặc hữu dục. Dòng bất dục Dòng duy trì × Dòng phục hồi msms x MSms MSMS 1msms : 1 MSms 1MSms : 1 msms 1msms : 1MSms x Nhân dòng duy trì Nhân dòng bất dục Diệt bỏ trước khi tung phấn x x MSms hữu dục thu hạt lai F1 Nhân dòng phục hồi b. Gen gây bất dục rất mẫn cảm với yếu tố môi trường (Hệ thống 2 dòng)  EGMS (Environmental Genic Male Sterility) gồm: TGMS (Thermo sensitive Genic Male Sterility) và PGMS (Photoperiod Sensitive Genic Male sterility). - Mẫn cảm với nhiệt độ: tms - Mẫn cảm với quang chu kỳ: pms Yếu tố môi trường tạo ngưỡng, ví dụ 25oC ở giai đoạn phát triển hạt phấn Hữu dục Bất dục 25oC F1 TMstms hữu dục Nhân dòng ♀tmstms Dòng bất dục x ♂ TMsTMs dòng hồi phục - TGMS: - PGMS: bất dục đực chức năng di truyền nhân mẫn cảm với quang chu kỳ + Giai đoạn mẫn cảm để chuyển hoá từ hữu dục sang bất dục và ngược lại của PGMS là thời kỳ phân hoá mầm hoa - hình thành tế bào mẹ hạt phấn (bước 3-5 của phân hoá đòng - 15- 21 ngày trước trổ). Bất dục > 14h/ ngày Hữu dục <13h/ngày (22/6 ngày có thời gian chiếu sáng dài nhất chưa đạt được 14h/ngày - Hà Giang 13h37phút). Vì vậy chọn tạo PGMS có chuyển hoá từ hữu dục - bất dục: 12h15 - 12h20 Duy trì PGMS trong điều kiện ngày ngắn (<12h15) Sản xuất hạt lai trong điều kiện ngày dài(>12h40) 7/18/15 12 Lúa lai hai dòng Ruộng sản xuất hạt lai Thụ phấn cho ruộng sản xuất hạt lai 1.3.3.Bất dục đực tế bào chất (Cytoplasmic male sterility - CMS) a. Hiện tượng, đặc điểm di truyền của hệ thống 3 dòng * Khái niệm, nguyên nhân, cơ chế di truyền kiển soát tính bất dục đực tế bào chất - Khái niệm: là bất dục do yếu tố ở tế bào chất tương tác với các gen nhân - Nguyên nhân: + Do lai xa: bất dục xuất hiện khi quan hệ giữa nhân và tế bào chất bất hợp + Do đột biến gen: Không cung cấp năng lượng cho hạt phấn phát triển - Cơ chế di truyền kiểm soát tính bất dục đực tế bào chất: 3 giả thuyết + Giả thuyết đơn gen: các yếu tố gây bất dục đực ở tế bào chất tương tác với 1 cặp gen ở nhân. + Giả thuyết 2 gen: CMS: S. rf1rf1rf2rf2; S. rf1rf1Rf2-; S. Rf1-rf2rf2 Dòng duy trì: F.rf1rf1rf2rf2 Dòng phục hồi: F(S).Rf1Rf1Rf2Rf2; F(S). Rf1-Rf2-; F. Rf1- rf2rf2, F.rf1rf1Rf2- + Giả thuyết đa gen: Sự phục hồi tính hữu dục ở dạng tế bào chất bất dục là do tác động nhiều gen trội có tác động bổ sung. Việc chuyển 1 gen ấy vào trạng thái lặn là nguyên nhân gây bất dục. * Đặc điểm di truyền của hệ thống ba dòng (lúa lai 3 dòng):  * Dòng CMS (dòng A): S. rfrf- dùng làm mẹ để lai: dòng A có nhân tố S kiểm soát tính bất dục trong tế bào chất, còn nhân chứa các gen duy trì bất dục dạng ẩn đồng hợp tử rfrf.  - Là dòng có bao phấn lép  - Cơ quan sinh sản cái của dòng A khoẻ mạnh, có khả năng tiếp nhận phấn để thụ tinh.  - Dòng A dùng để sản xuất hạt lai cần phải có những yêu cầu sau:  + Phải bất dục hoàn toàn và ổn định qua các vụ, không thay đổi khi điều kiện thời tiết biến đổi, không biến đổi sau nhiều lần gieo lại.  + Phải tương đối dễ phục hồi: phổ phục hồi rộng, khả năng đậu hạt khi lai với dòng phục hồi cao và ổn định.  + Có cấu trúc hoa và tập tính nở hoa tốt, góc mở rộng, thời gian mở lâu, vòi nhuỵ dài 7/18/15 13 * Dòng duy trì (dòng B): - Chứa nhân tố hữu dục trong tế bào chất (N) kiểm tra khả năng hữu dục, trong nhân chứa các gen duy trì bất dục dưới dạng đồng hợp thể lặn rfrf. N. rfrf - Là dòng duy trì bất dục, là dòng cho phấn dòng a để tạo ra hạt có nhiệm vụ duy trì tính bất dục đực ở dòng A. Dòng B có nhiều đặc điểm nông sinh học tốt có thời gian sinh trưởng phù hợp với yêu cầu. - Yêu cầu: + Phải là dòng thuần + Có nhiều hạt phấn, sức sống của hạt phấn cao. - Sơ đồ duy trì: Dòng CMS (A) x Dòng duy trì (B) ♀S. rfrf (AA) x ♂F. rfrf (BB) F1: ♀S.rfrf (0,5A: 0,5 B) ♂F.rfrf (BB) F2: ♀S.rfrf (0,25A: 0,75B) ♂ F.rfrf (BB) F7: ♀ S.rfrf (0,008A: 0,992B) * Dòng phục hồi (dòng R-Restorer): - Có chứa nhân tố S hoặc N trong tế bào chất, nhân chứa gen phục hồi phấn ở dạng trội đồng hợp thể RfRf. N. RfRf N. Rfrf - Là dòng cho phấn dòng A để sản xuất hạt lai F1, cây F1 hoàn toàn hữu dục. - Yêu cầu: + Là dòng thuần có nhiều đặc tính tốt, năng suất phẩm chất tốt, thời gian sinh trưởng phù hợp + Có khả năng phục hồi mạnh, tỷ lệ đậu hạt của con lai cao + Có khả năng phối hợp cao, cho ưu thế lai cao + Cây cao, khoẻ hơn dòng A, TGST bằng hoặc dài hơn dòng A - Sơ đồ lai phục hồi: ♀Csrf rf Bất dục x CsRf rf Hữu dục ♂CNRf Rf Hữu dục Kiểu gen CNRf rf tạo các giao tử đực: Rf rf - Hữu dục bất dục → Bất dục giao tử thể - Hữu dục Hữu dục → Bất dục bào tử thể - Bất dục đực tế bào chất có thể do kiểu gen 2n kiển soát (bất dục đực bào tử thể) hoặc do kiển gen hạt phấn 1n kiểm soát (bất dục đực giao tử thể). + Bất dục giao tử thể: ♀ S. rfrf (bất duc) x ♂ F.RfRf (hữu dục) F1: S.Rfrf (hữu dục) F2: ♂ ♀ S.Rf (hữu dục) S.rf (bất dục) S.Rf (hữu dục) S. RfRf (hữu dục) Không thụ tinh S.rf (hữu dục) S. Rfrf (hữu dục) Không thụ tinh + Bất dục bào tử thể: ♀S.rfrf (bất dục) x♂ F. RfRf ( hữu dục) F1: S. Rfrf (hữu dục) F2: ♂ ♀ S.Rf (hữu dục) S.rf (hữu dục) S.Rf (hữu dục) S. RfRf (hữu dục) S. Rfrf (hữu dục) S.rf (hữu dục) S. Rfrf (hữu dục) S.rfrf (bất dục) 7/18/15 14 Lúa lai 3 dòng 1.3.4. Đặc điểm của cây CMS và giả thiết giải thích cơ chế của hiện tượng a. Đặc điểm của cây CMS: - Sinh trưởng: yếu ở giai đoạn sau (sau tung phấn), dễ nhiễm bệnh - Sự cố hệ thống nuôi dưỡng hạt phấn → hạt phấn không tích lũy đủ dinh dưỡng (năng lượng) - Ty thể thiếu hụt một số enzyme → tạo năng lượng cung cấp cho tế bào không được đảm bảo. b. Một số giả thiết giải thích hiện tượng bất dục đực tế bào chất và sự phục hồi: - Những cơ sở giải thích sự thể hiện tính bất dục ở cây CMS + Biến cố về chức năng năng lượng của ty thể là nguyên nhân sơ cấp gây lên tính bất dục của hạt phấn. - Những giả thiết giải thích cơ chế của sự phục hồi tính bất dục đực tế bào chất + Hoạt động của các gen phục hồi thể hiện ở sự chấn chỉnh cấu trúc và bổ khuyết những thiếu hụt của enzim, kết quả ty thể được nhận đủ enzim, phục hồi hoạt động bình thường của mình. + Hoạt động của các gen hồi phục có tác động sửa chữa, chấn chỉnh lại quá trình chuyển enzim vào ty thể. c. Ứng dụng các dòng bất dục đực, những khó khăn và hạn chế: - Có ý nghĩa lớn đối với cây trồng khó khử đực, chi phí nhiều công, ... Sử dụng dòng mẹ bất dục sản xuất hạt lai F1 không khử đực → giá thành hạt giống lai rẻ hơn, có hiệu quả kinh tế. - Giống lai có mẹ là dòng bất dục có những khó khăn, hạn chế sau đây: 1) Dòng mẹ kém đa dạng → hạn chế lựa chọn các tổ hợp lai 2) Có biến động (do môi trường) về biểu hiện bất dục ở dòng mẹ gây khó khăn trong sản xuất hạt lai F1 3) Dòng mẹ bất dục (yếu) ảnh hưởng tới con lai F1, dẫn tới giống lai bị hạn chế về khả năng chống chịu với các biến động bất thuận môi trường, bệnh hại, ... 7/18/15 15 7/18/15 16 1.4. Đặc điểm cấu trúc di truyền của các quần thể thực vật với các phương thức sinh sản khác nhau 1.4.1. Quần thể thực vật loài tự thụ phấn - Tính chất đồng hợp tử: chọn lọc các dòng “thuần” - Đặc điểm thể hiện tính trạng: đồng đều, những khác biệt do thường biến. - Sàng lọc cấu trúc đồng hợp tử thích ứng → hạn chế hoăc triệt tiêu gánh nặng di truyền của quần thể. - Giá trị dị hợp tử tàn dư gồm các nguồn: + Lượng dị hợp tử còn tồn tại + Lượng dị hợp tử xuất hiện do đột biến + Lượng dị hợp tử xuất hiện do giao phối chéo ngẫu nhiên. => Dẫn tới quần thể bị phân hóa. 1.4.2. Quần thể thực vật giao phấn chéo ngẫu nhiên - Tính chất đa hình: Có nhiều kiểu gen trong đó có các kiểu gen đồng hợp tử và dị hợp tử (đa dạng các tổ hợp gen) - Mô hình một locus: + 2 alen: quần thể có 3 kiểu gen p2AA : 2pqAa : q2aa => tần số dị hợp tử lớn nhất khi p=q=0,5 + 3 alen: quần thể có 6 kiểu gen, 3 đồng hợp tử, 3 dị hợp tử. Tần số tổng các kiểu dị hợp tử lớn nhất khi 3 alen có tần số bằng nhau = 1/3 - Cân xứng đa hình: Các kiểu ổn định về phổ và tần số qua các thế hệ. - Đặc điểm biểu hiện tính trạng: đa dạng (tăng, giảm, trung bình, ) - Ý nghĩa của các kiểu dị hợp tử (chúng có vai trò lớn trong quần thể): Tăng thể hiện tính trạng (ưu thế lai), tuy nhiên khi tích lũy nhiều sẽ làm tăng tồn tại các alen lặn. Trường hợp các alen lặn có hại tăng sẽ làm tăng gánh nặng di truyền của quần thể. - Những yếu tố làm tăng các đồng hợp tử (có thể dẫn tới quần thể bị suy thoái): + Do giao phấn gần (tung phấn gần) → các kiểu cận phối + Hạn chế về liều lượng cá thể giao phấn. + Giao phấn tương đồng. → Những yếu tố trên làm giảm tính chất ngẫu nhiên trong giao phấn (làm tăng các đồng hợp tử) 1.4.3. Quần thể thực vật giao phấn chéo khác nguồn - Ở các cây có hiện tượng tự bất hợp (bất hợp sâu sắc, bất hợp kém sâu sắc) – tăng đa dạng các kiểu gen do giao phấn chéo giữa các cây khác nhau, có thể có mức độ xa cách di truyền cao. - Đặc điểm chung là: Các kiểu dị hợp tử tăng, tiến tới toàn bộ các cá thể trong quần thể là dị hợp tử. - Sơ đồ diễn tả: Kiểu gen Giao phấn chéo ngẫu nhiên Bất hợp với giá trị g (1-g) = ngẫu nhiên Bất hợp hoàn toàn (g=1) AA p2 (1-g) p2 0 Aa 2pq (1-g) 2pq + g 1 aa q2 (1-g) q2 0 1.4.4. Quần thể thực vật có sinh sản vô phối  Sinh sản vô phối xảy ra (với tần số nào đó) song hành với sinh sản hữu tính, thậm chí vô tính.  Vô phối xảy ra phản ánh quần thể có giá trị thích ứng rất cao với điều kiện môi trường sống, đã tận dụng mọi khả năng sinh sản để nhân nhanh, bành chướng quần thể.  Khi có vô phối xảy ra, cấu trúc di truyền của quần thể có thay đổi theo hướng tăng các đồng hợp tử, hạn chế tính đa dạng di truyền so với quần thể giao phấn chéo.  Khi quần thể đã có được giá trị thích ứng rất cao với môi trường sống, biểu hiện của các thường biến – mức phản ứng rộng đủ trả lời được những biến động của môi trường sống của nó. 1.4.5.Quần thể sinh sản vô tính - Có ý nghĩa lớn trong nhân nhanh kiểu gen (giống) quan tâm, về nguyên lý, tạo được quần thể đồng nhất, có các đặc điểm giống cây ban đầu (cây đầu dòng). - Tuy nhiên nhân giống vô tính có một số nguy cơ sau: + Làm thoái hóa biểu hiện tính trạng nào đó (có thể là tính trạng quan tâm) + Thoái hóa do tích lũy bệnh virus làm giảm sinh trưởng, biểu hiện kiểu hình. + Tạo nên quần thể kém thích ứng với môi trường khi vật liệu nhân chưa được sàng lọc thích ứng thông qua giảm phân. Quần thể này là mối nguy cơ lớn trong sản xuất, nhất là khi giá áp dụng đối với cây chuyển gen. - Vai trò của cây đầu dòng và phương pháp (kỹ thuật) nhân vô tính được áp dụng. 7/18/15 17 * Sinh sản sinh dưỡng * Sinh sản bào tử * Ưu điểm – nhược điểm: Ưu điểm: -Các cá thể sống độc lập vẫn có thể tạo ra con cháu. Có lợi trong trường hợp mật độ quần thể thấp. -Tạo ra các cá thể mới giống nhau và giống mẹ về các đặc điểm di truyền => sống cùng điều kiện như cây mẹ sẽ tồn tại và sinh sản tốt - Tạo ra số lượng lớn con cháu trong thời gian ngắn Nhược điểm: - Không tính đa dạng => điều kiện sống thay đổi có nguy cơ tuyệt chủng. * Sinh sản sinh dưỡng nhân tạo  Ghép chồi và ghép cành  Chiết cành  Giâm lá, cành  Nuôi cấy tế bào và mô thực vật 7/18/15 18 * Ý nghĩa:  Nhân nhanh giống trong thời gian ngắn  Hạ giá thành, hiệu quả kinh tế cao  Phục chế giống cây quý  Tạo giống cây trồng sạch bệnh Câu hỏi ôn tập chương 1  1. Những đặc điểm biểu hiện giới tính ở thực vật  2. Những cơ chế kiểm soát quá trình tự thụ phấn và quá trình giao phấn chéo  3. Các hệ thống tính bất hợp bào tử thể và giao tử thể ở thực vật  4. Các biện pháp khắc phục và ứng dụng hiện tượng bất hợp ở thực vật. Chứng tỏ rằng khi bất hợp xảy ra hoàn toàn ở quần thể thực vật tồn tại toàn bộ cá thể là dị hợp tử  5. Trình bày khái niệm và phân biệt bản chất các hiện tượng sau: bất hợp, bất thụ, bất dục  6. Trình bày hệ thống di truyền bất dục đực do gen nhân kiểm soát.  7. Khái niệm bất dục đực tế bào chất và cơ sở di truyền của hệ thống ba dòng. Các nguyên nhân xuất hiện CMS  8. Những đặc điểm của cây CMS, những khó khăn và hạn chế trong ứng dụng bất dục đực tế bào chất  9. Phân biệt giao phấn chéo ngẫu nhiên và giao phấn chéo khác nguồn. Những đặc điểm về cấu trúc di truyền của quần thể thực vật loài giao phấn chéo  10. Nêu những đặc điểm về cấu trúc di truyền của quần thể thực vật loài tự thụ phấn. Trình bày những điểm tương đồng và khỏc biệt của hai cấu trúc đa dạng di truyền sau: cân xứng đa hình và sự đứng cạnh nhau của dòng thuần.  11. Những đặc điểm về cấu trúc di truyền của quần thể thực vật khi có sinh sản vô phối. Vì sao nói: vô phối thể hiện tính bành chướng về mặt số lượng, hạn chế tính động thái trong tiến hóa của quần thể. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 19  12. Ở lanh dòng CMS có hệ thống di truyền Cs rfrf. Trình bày sơ đồ sử dụng bất dục đực tế bào chất trường hợp lai ba (A x B) x C, trường hợp lai lai kép (A x B) x (C x D).  13. Gen lặn ms gây bất dục đực ở thực vật (gen trội Ms – hữu dục). Trình bày các sơ đồ duy trì, hồi phục trong hệ thống ba dòng và hệ thống hai dòng.  14. Ở một loài thực vật, bên cạnh sinh sản hữu tính có xảy ra sinh sản vô phối. Phân tích cho thấy, các phôi vô phối hình thành đều là lưỡng bội và có nguồn gốc từ sinh sản aposporie hoặc parthenogenese và apogamic. Dạng dị hợp tử (Aa) sẽ cho tỷ lệ các kiểu gen ở thế hệ sau như thế nào khi: a. Toàn bộ tự thụ phấn b. Một nửa tự thụ phấn, nửa kia vô phối với 50% phôi aposporie và 50% phôi parthenogenese và apogamic. c. 80% tự thụ, 20% vô phối với phôi parthenogenese và apogamic d. 5% tự thụ, 95% vô phối với phôi aposporie e. Trong số trên, trường hợp nào có thể sử dụng để duy trì ưu thế lai?  15. Loài A có 2n = 20 , loài B có 2n = 24. Kết quả lai xoma đó thu được các cây tái sinh ở tiền kỳ I của giảm phân cho một số kết quả sau đây: - Cây 1 có 10 cặp lưỡng trị - Cây 2 có 12 cặp lưỡng trị, 8 đơn trị - Cây 3 có 10 cặp lưỡng trị, 5 đơn trị - Cây 4 có 12 cặp lưỡng trị - Cây 5 có 22 cặp lưỡng trị a. Hãy cho tên gọi và nêu nguyên nhân hình thành của 5 thể lai (5 cây) trên. b. Nếu cho cây số 3 tự thụ, khả năng sẽ thu được các thể lệch bội gì, ý nghĩa ứng dụng? Dạng lệch bội nào ổn định về bộ nhiễm sắc qua các thế hệ tự thụ?  Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/