Lai giống cây rừng

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 thế giới. Lai giỏng cây rừng được áp dụng ở Việt

Nam ỉ rong 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 ỉ hống 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 âV 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 ỚT 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

m m

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

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

ra các giống lai mới góp phần

tăng năng suất và chất lượng

rừng trồng ở nước ta.

Hình 1. GS. Rod Grifín tại khu Keo lai tự nhiên

7 năm tuổi ở lâm trường Tiên Phong

(Thừa Thiên-Huế) có đường kính 27-29 cm,

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 2n 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

• m V i W ở Thực vật hạt trần 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 1J , 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 2n 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. ma xi mart ì ne zii thậm chí thời gian từ khi xuất hiện nón đực và nón

cái đến khi hạt chín là ba năm (Ledig, 1998).

PHẢT SINH

PHỒITHAI Ó a g p b ấ a J ^ 7 / \ THỤ PHÁN

THỤTINH M — ^ Lj) PHẲNBÀO

ĐẨU THÁNG 6 ìfjl Pbôi

^ GIỮẢ t h á n g 6 v ~ \

/ / Ỹ Hat pton X I )

/ ũíctứtử(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 \ Thổgiaoiửcái—K

\ ^ Ph6i tam

\ \ Nóo đưt Vi

ĐẨU THÁNG 9

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), vỏ

gồm một hoặc hai lớp khồng liền nhau và tạo ra lỗ noãn, ôn 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.

Nguyện nhtển

của tiểu bão t

Tinh trùng

Tf bao (IV

tiểu bào t

NMntíb

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

Tế tào trứng

Ông phân T ĩự b à o

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 (5-10 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 cỏ 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