Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. Cơ sở khoa học của đề tài 1. Cơ sở khoa học của lai hữu tính trong chọn tạo giống đậu tương Lai hữu tính là phương pháp chủ yếu trong công tác chọn tạo giống đậu tương hiện nay. Đó là việc lai 2 cá thể có tính di truyền khác nhau, phối hợp tính trạng của 2 giống và chọn lọc ra những cây mang đặc tính mong muốn của cả 2 bố mẹ thông qua tái tổ hợp trong quá trình phân ly ở đời con cháu (Trần Đình Long và cs.
Ở đậu tương, do kích thước hoa nhỏ và điều kiện môi trường ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng hoa để lai nên các kỹ thuật lai khác nhau đã được phát triển. Kỹ thuật lai phổ biến được các nhà chọn giống sử dụng là khử đực ở hoa cái trước khi thụ phấn vào buổi chiều hôm trước và thụ phấn vào buổi sáng ngày hôm sau. Một số nhà chọn giống sử dụng kỹ thuật khử đực và thụ phấn cùng lúc. Cả hai kỹ thuật này đều đòi hỏi kỹ năng lai tốt để giảm tối đa việc gây ra những tổn thương nhất định trong quá trình lai.
Một kỹ thuật khác cũng được sử dụng trong lai tạo ở đậu tương là thụ phấn không cần khử đực. Kỹ thuật này được phát triển dựa trên đặc tính sinh vật học của hoa đậu tương là có nhụy chín trước nhị và đầu nhụy trở nên dễ tiếp nhận hạt phấn 1 ngày trước khi tung phấn, trong khi đó hạt phấn có thể nảy mầm trong vòng 24 giờ sau thụ phấn. Ưu điểm của kỹ thuật này là hạn chế tối đa việc gây ra những tổn thương cho hoa trong quá trình lai và được khẳng định mang lại hiệu quả lai cao với tỉ lệ đậu quả lên đến 39% và tỷ lệ cây lai F1 đạt được lên đến 72 – 78% (Talukdar và cs., 2012), cao hơn phương pháp lai truyền thống chỉ đạt 64% tỷ lệ cây lai F1 (Vollmann và cs. Hạn chế của phương pháp là phải xác định được chính xác nụ hoa lai sẽ nở vào ngày hôm sau nếu không hạt lai thu được sẽ là hạt tự thụ và điều kiện thời tiết thuận lợi đảm bảo cho hạt phấn nảy mầm.
Tuy nhiên thành công của phép lai phụ thuộc vào cả hai yếu tố khoa học và kỹ năng bao gồm bản chất loài cây trồng, mùa vụ, tình hình sinh trưởng của cây, điều kiện thời tiết, giống bố, mẹ…. Theo nhiều công bố, sự thành công của phương pháp lai hữu tính ở cây họ đậu trong đó có đậu tương là rất thấp so với nhóm ngũ cốc. Một trong những nguyên nhân chính là do hiện tượng rụng hoa sinh lý ở nhóm 5 cây trồng này. Ở đậu tương, tỷ lệ thành công của phép lai nhân tạo là rất thấp, dao động từ 2 – 15% trong điều kiện đồng ruộng (Agrawal và cs.
Thời gian tiến hành lai thay đổi theo mùa trồng và điều kiện thời tiết. Ở mùa nóng, có thể tiến hành lai từ 8 giờ 30 – 10 giờ 30 sáng. Ở mùa lạnh, do nhiệt độ thấp, quá trình nở hoa và tung phấn muộn hơn từ 0,5 – 1 giờ. Sự thành công của phép lai ở mùa đông thấp hơn so với những mùa khác do nhiệt độ thấp với độ dài ngày ngắn hơn làm cho quá trình thụ phấn xảy ra trước khi hoa nở.
Mục tiêu của lai tạo trước đây là tạo ưu thế lai ở những cây trồng giao phấn. Song, ngày nay với sự phát triển của công nghệ sinh học nó đã được ứng dụng với cả cây trồng tự thụ phấn như ở lúa. Ở đậu tương, cho đến nay ưu thế lai vẫn chưa được áp dụng và mục tiêu của lai tạo giống đậu tương là nhằm tổ hợp các tính trạng mong muốn của hai hay nhiều giống (dòng) khác nhau để tạo ra một giống mới đáp ứng với đòi hỏi cụ thể của thực tế sản xuất như tạo giống chống chịu sâu bệnh, TGST ngắn, năng suất cao… (Trần Đình Long và cs. Vì vậy, việc lựa chọn bố mẹ để tạo quần thể chọn lọc là một trong những khâu quan trọng nhất mang lại thành công trong chọn tạo giống đậu tương bằng phương pháp lai hữu tính.
Quá trình chọn bố mẹ phụ thuộc vào mục tiêu chọn giống trên cơ sở bổ sung cho nhau (điểm yếu của một bố mẹ này được bổ sung bằng bố mẹ kia). Có thể tìm sự bổ sung cho một số tính trạng thông qua các tính trạng nông học, hình thái, các đặc điểm sinh hóa hoặc chỉ thị phân tử (Vũ Đình Hòa và cs. Có 3 phương pháp lai tạo chính được sử dụng trong công tác lai tạo giống đậu tương là lai quy tụ, lai luân phiên và lai trở lại. - Phương pháp lai quy tụ: là phương pháp được ứng dụng phổ biến nhất bởi tính đơn giản của nó, sau này một số nhà chọn giống đưa ra các sơ đồ khác, có cải tiến và chỉnh lý thêm như sơ đồ của Mackey (1954) (Singh, 1990).
- Phương pháp lai luân phiên (lai diallel): là phương pháp tối ưu nhất, song cũng phức tạp nhất vì nó đòi hỏi số lượng cặp lai lớn, mất nhiều công và rất tốn kém (Singh, 1990). Dựa vào phương pháp này người ta có thể tiên đoán được một số kết quả của các cặp lai, đồng thời nó là cơ sở cho việc chọn các bố mẹ để lai, 6 giúp cho các nhà chọn giống định hướng trong khi lai. Ở Úc đã ứng dụng để tạo ra các giống đậu tương có năng suất cao (4 tấn/ha) và chống bệnh khá… - Phương pháp lai trở lại (backcross): Phương pháp này được dùng để duy trì khả năng cho năng suất của một số giống đã thích ứng tốt với việc sáp nhập thêm tính chống chịu từ bố (mẹ) không thích ứng (Singh, 1990). Phương pháp này được áp dụng chủ yếu để tạo giống đậu tương chống chịu (chống chịu sâu, bệnh hại, chống chịu điều kiện bất thuận như chịu hạn, chịu mặn…).
Hiện nay, trong lai tạo giống đậu tương người ta không dùng một phương pháp mà họ thường áp dụng kết hợp các phương pháp như trong lai tích lũy người ta thường kết hợp giữa lai trở lại với lai quy tụ để tạo giống đậu tương chống bệnh hoặc kết hợp lai trở lại với lai luân phiên để tạo giống đậu tương cao sản … 1. Cơ sở khoa học của xử lý đột biến thực nghiệm chiếu xạ trong tạo giống đậu tương Trong chọn giống cây trồng nói chung, cây đậu tương nói riêng, lai giống nhân tạo dù có tiềm năng vô hạn trong việc tạo ra các tổ hợp có đặc tính mới mà có thể được chọn lọc trong quần thể phân ly nhưng nó chỉ là sự phân bổ lại và tái tổ hợp nguồn gen sẵn có. Vấn đề là sự giới hạn nguồn gen trong tự nhiên và tỷ lệ đột biến tự nhiên rất thấp, chỉ khoảng 10-7. Ngược lại, phương pháp đột biến có thể cải tiến tính trạng đơn mà không gây ra sự tổn thương sâu trong bộ gen, đồng thời làm tăng nguồn tài nguyên di truyền cho lai giống nhân tạo và các biến dị di truyền mới có khả năng thích ứng tốt.
Đột biến là những biến đổi trong vật chất di truyền xảy ra ở cấp độ phân tử hay cấp độ tế bào (Nguyễn Minh Công, 2005). Đột biến thường xuất hiện gián đoạn, đột ngột về một hoặc một vài tính trạng nào đó trên cơ thể thực vật. Khi biểu hiện thành kiểu hình, đa số có hại, một số ít có lợi hoặc trung tính. Ở đậu tương, việc tạo ra các biến dị di truyền bằng phương pháp lai hữu tính là một quá trình khó vì hoa của chúng nhỏ, gây khó khăn trong quá trình khử đực vì các bộ phận của hoa dễ bị tổn thương và làm rụng hoa (>75%), thậm chí trong điều kiện thuận lợi (Johnson và Bornard, 1976).
Những hạn chế này cộng với tính tự thụ hoàn toàn tạo ra hạn chế trong đa dạng di truyền ở đậu tương. Do đó, chọn giống 7 bằng phương pháp đột biến trong đó có phương pháp chiếu xạ gamma Co60 đóng vai trò quan trọng trong cải tiến giống cây trồng này. Tia Gamma nguồn Co60 là tia phóng xạ có bước sóng ngắn từ 10-9 – 10-12 m, thuộc nhóm bức xạ sóng điện từ, đặc trưng bởi vận tốc lớn, không có khối lượng và điện tích, không bị lệch khỏi từ trường hay điện trường nên hiệu quả xuyên sâu cao. Tia Gamma không điện li trực tiếp mà có tác dụng điện li gián tiếp nhờ hiệu ứng quang điện.
Cơ chế tác động của tia gamma (Co60) lên vật chất di truyền ở các cấp độ khác nhau (phân tử, tế bào…) đã được nghiên cứu và làm sáng tỏ cơ chế phát sinh đột biến. Bản chất cơ thể sinh vật là các chất hoặc hợp chất hóa học với các mối liên kết tinh tế, nhạy bén và đồng bộ. Bức xạ ion hóa bằng tia gamma tác động nhờ việc tạo nên các ion, đã phá hủy cục bộ hay toàn bộ các cấu trúc đó, gây rối loạn trong cấu trúc di truyền của sinh vật, làm chậm hay dừng phân bào, hạn chế hay làm sai lệch sự tái sinh ADN. Bức xạ gây hại lớn nhất khi nó tác động vào nhân tế bào nơi chứa phần lớn các gen NST quy định các đặc tính chủ yếu của sinh vật.
Cơ thể hoặc tế bào càng non thì tính mẫn cảm với bức xạ ion hóa càng cao (Nguyễn Hữu Đống và cs. Có nhiều giả thuyết giải thích cơ chế tác động của bức xạ ion hóa (trong đó có tia gamma) lên tế bào sống, trong đó thuyết hiện đại về tác động của phóng xạ lên vật chất di truyền được coi là phổ biến và hoàn thiện hơn cả bởi nó là sự kết hợp giữa 2 thuyết về cơ chế tác dụng trực tiếp và cơ chế tác dụng gián tiếp. Theo thuyết hiện đại, trong cơ thể có nhiều hợp chất hữu cơ ở dạng dung dịch, tùy theo trạng thái mà nồng độ của chúng cao hay thấp. Nếu nồng độ dung dịch của các hợp chất hữu cơ đó cao thì sự va chạm của các lượng tử vào các phân tử sẽ lớn và hiệu quả trực tiếp nhiều hơn (sự va chạm giữa các tia bức xạ ion hóa (các hạt cơ bản, các ion) với các đơn vị cảm ứng (gen, NST, các bào quan…).
Nếu nồng độ dung dịch của các hợp chất hữu cơ đó thấp sẽ gây ra hiện tượng xạ phân nước tạo ra các ion, gốc tự do (H+, OH-, H2O…) và các peroxyt hữu cơ, do đó chúng tác dụng gián tiếp lên vật chất di truyền, gây ra những biến đổi sơ cấp và thứ cấp ở tế bào sống.