Cơ bản về Chọn tạo Giống Cây trồng: Tạo ra các Giống Mới Thông qua Chọn lọc

Chọn tạo giống cây trồng là nghệ thuật và khoa học thay đổi các đặc điểm của cây để tạo ra các đặc tính mong muốn. Nó đã được thực hành hàng ngàn năm, bắt đầu với những người nông dân đầu tiên chọn những hạt giống tốt nhất từ mỗi vụ thu hoạch để trồng cho thế hệ tiếp theo. Ngày nay, chọn tạo giống cây trồng kết hợp các kỹ thuật truyền thống với công nghệ hiện đại để tạo ra các giống cải tiến có năng suất cao hơn, kháng bệnh và thích ứng với các điều kiện môi trường khác nhau. Bài viết này cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về chọn tạo giống cây trồng, tập trung vào chọn lọc, một trong những phương pháp lâu đời và được sử dụng rộng rãi nhất.

Chọn lọc là gì?

Chọn lọc, còn được gọi là chọn lọc nhân tạo, là quá trình chọn cây có các đặc tính mong muốn và sử dụng chúng làm cây bố mẹ để tạo ra thế hệ tiếp theo. Quá trình này được lặp lại trong nhiều thế hệ, dần dần cải thiện các đặc tính mong muốn trong quần thể. Không giống như kỹ thuật di truyền, chọn lọc hoạt động trong biến dị di truyền tự nhiên đã có trong một loài cây. Nó không đưa gen lạ từ các loài khác vào. Đó là một phương pháp hướng dẫn quá trình tiến hóa theo hướng có lợi cho con người.

Các nguyên tắc của chọn lọc

Chọn lọc dựa trên một số nguyên tắc chính:

• Biến dị: Các cá thể trong một quần thể phải thể hiện sự biến dị về các đặc tính quan tâm. Không có biến dị, không có gì để chọn. Sự biến dị này phát sinh từ sự khác biệt di truyền giữa các cá thể.
• Tính di truyền: Các đặc tính mong muốn phải có tính di truyền, có nghĩa là chúng có thể được truyền từ bố mẹ sang con cái. Các đặc tính bị ảnh hưởng mạnh bởi môi trường có thể khó cải thiện thông qua chọn lọc.
• Chọn lọc: Các nhà tạo giống phải có khả năng xác định và chọn các cá thể thể hiện tốt nhất các đặc tính mong muốn. Điều này đòi hỏi sự quan sát, đo lường và đánh giá cẩn thận.
• Sinh sản: Các cá thể được chọn phải có khả năng sinh sản, thông qua tự thụ phấn, thụ phấn chéo hoặc nhân giống vô tính.

Các bước trong chọn lọc

Quá trình chọn lọc thường bao gồm các bước sau:

1. Xác định mục tiêu chọn giống

Bước đầu tiên là xác định rõ các mục tiêu chọn giống. Bạn muốn cải thiện những đặc tính mong muốn nào? Ví dụ bao gồm:

• Tăng năng suất (ví dụ: nhiều hạt hơn trên một cây, quả lớn hơn)
• Cải thiện khả năng kháng bệnh (ví dụ: kháng bệnh nấm, vi khuẩn hoặc virus)
• Nâng cao hàm lượng dinh dưỡng (ví dụ: hàm lượng vitamin, khoáng chất hoặc protein cao hơn)
• Thích nghi tốt hơn với các môi trường cụ thể (ví dụ: chịu hạn, chịu lạnh)
• Cải thiện các đặc tính về chất lượng (ví dụ: hương vị, kết cấu hoặc vẻ ngoài ngon hơn)

Mục tiêu chọn giống phải cụ thể, đo lường được, có thể đạt được, liên quan và giới hạn thời gian (SMART). Ví dụ, một mục tiêu chọn giống có thể là phát triển một giống lúa mì có năng suất hạt cao hơn 20% ở những vùng dễ bị hạn hán trong vòng năm năm.

2. Chọn cây bố mẹ

Sau khi xác định các mục tiêu chọn giống, bước tiếp theo là chọn cây bố mẹ có các đặc tính mong muốn. Điều này liên quan đến việc đánh giá một số lượng lớn cây và chọn các cá thể đáp ứng tốt nhất các mục tiêu chọn giống. Các nhà tạo giống thường xem xét nhiều đặc tính đồng thời, vì việc cải thiện một đặc tính đôi khi có thể ảnh hưởng tiêu cực đến một đặc tính khác. Các nguồn cây bố mẹ có thể bao gồm:

• Giống địa phương: Các giống thích nghi tại địa phương đã được nông dân phát triển qua nhiều thế hệ. Giống địa phương thường có nhiều sự đa dạng di truyền và có thể là nguồn gen có giá trị để kháng bệnh, chịu stress và các đặc tính chất lượng độc đáo.
• Giống gia truyền: Các giống thụ phấn mở đã được truyền qua các gia đình hoặc cộng đồng trong nhiều năm. Giống như giống địa phương, các giống gia truyền có thể là nguồn gốc của các đặc tính độc đáo và sự đa dạng di truyền.
• Dòng chọn giống: Cây đã được chọn và cải tiến trước đó thông qua các chương trình chọn giống. Các dòng chọn giống thường có sự kết hợp của các đặc tính mong muốn và có thể được sử dụng làm cây bố mẹ để tạo ra các giống tốt hơn nữa.
• Họ hàng hoang dã: Các loài hoang dã có quan hệ gần gũi với cây trồng. Họ hàng hoang dã có thể là nguồn gen có giá trị để kháng bệnh, chịu stress và các đặc tính khác có thể không có ở các giống cây trồng. Tuy nhiên, việc lai các loại cây trồng với họ hàng hoang dã có thể là một thách thức và có thể yêu cầu các kỹ thuật đặc biệt.
• Ngân hàng gen: Bộ sưu tập hạt giống hoặc vật liệu thực vật khác được duy trì để bảo tồn và nhân giống. Ngân hàng gen là một nguồn tài nguyên quan trọng cho các nhà tạo giống đang tìm cách tiếp cận nhiều sự đa dạng di truyền. Ví dụ bao gồm Ngân hàng hạt giống toàn cầu Svalbard ở Na Uy và các ngân hàng gen quốc gia trên khắp thế giới.

Quá trình chọn lọc có thể dựa trên quan sát trực quan, đo lường các đặc tính (ví dụ: chiều cao cây, kích thước quả, năng suất) hoặc phân tích trong phòng thí nghiệm (ví dụ: kiểm tra khả năng kháng bệnh hoặc hàm lượng dinh dưỡng). Trong một số trường hợp, các nhà tạo giống sử dụng chọn lọc hỗ trợ dấu chuẩn (MAS), một kỹ thuật sử dụng các dấu chuẩn ADN để xác định các cây mang các gen cụ thể cho các đặc tính mong muốn. MAS có thể tăng tốc quá trình chọn giống và làm cho nó hiệu quả hơn.

3. Lai tạo

Sau khi chọn cây bố mẹ, bước tiếp theo là tạo ra các phép lai giữa chúng. Điều này liên quan đến việc chuyển phấn hoa từ cây bố đực sang cây bố mẹ cái. Phương pháp cụ thể được sử dụng để lai phụ thuộc vào loài cây và sinh học sinh sản của nó. Một số cây tự thụ phấn, có nghĩa là chúng có thể tự thụ tinh. Những cây khác thụ phấn chéo, có nghĩa là chúng cần phấn hoa từ một cây khác để được thụ tinh.

Ở những cây thụ phấn chéo, các nhà tạo giống thường sử dụng thụ phấn bằng tay để kiểm soát các phép lai và đảm bảo rằng các cây bố mẹ mong muốn được sử dụng. Điều này liên quan đến việc cẩn thận loại bỏ bao phấn (cơ quan tạo phấn hoa) khỏi cây bố mẹ cái để ngăn chặn tự thụ phấn và sau đó chuyển phấn hoa từ cây bố đực sang nhụy (bề mặt tiếp nhận của hoa cái). Hoa sau đó được che lại để ngăn chặn sự thụ phấn không mong muốn bởi các cây hoặc côn trùng khác.

Hạt giống được tạo ra từ các phép lai được gọi là F1 (thế hệ con thứ nhất). Cây F1 là giống lai, có nghĩa là chúng có sự kết hợp các gen từ cả hai cây bố mẹ. Thế hệ F1 thường đồng nhất và có thể thể hiện ưu thế lai (heterosis), có nghĩa là chúng khỏe mạnh hơn và năng suất hơn bất kỳ cây bố mẹ nào của chúng.

4. Đánh giá và chọn lọc thế hệ sau

Bước tiếp theo là trồng cây F1 và đánh giá hiệu suất của chúng. Điều này liên quan đến việc gieo hạt trong ruộng hoặc nhà kính và quan sát sự sinh trưởng, phát triển và năng suất của chúng. Các nhà tạo giống cẩn thận đo lường và ghi lại dữ liệu về các đặc tính quan tâm, chẳng hạn như chiều cao cây, thời gian ra hoa, khả năng kháng bệnh và năng suất. Trong một số trường hợp, họ cũng có thể tiến hành các xét nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá hàm lượng dinh dưỡng hoặc chất lượng của cây trồng.

Dựa trên dữ liệu thu thập được, các nhà tạo giống chọn những cây có hiệu suất tốt nhất để sử dụng làm cây bố mẹ cho thế hệ tiếp theo. Quá trình này được lặp lại trong nhiều thế hệ, dần dần cải thiện các đặc tính mong muốn trong quần thể. Trong mỗi thế hệ, các nhà tạo giống chọn những cây đáp ứng tốt nhất các mục tiêu chọn giống và loại bỏ phần còn lại.

Quá trình chọn lọc có thể là một thách thức, vì thế hệ F1 thường phân ly cho các đặc tính khác nhau. Điều này có nghĩa là con cái của cây F1 sẽ thể hiện nhiều biến dị, gây khó khăn trong việc xác định các cá thể tốt nhất. Các nhà tạo giống thường trồng các quần thể cây lớn để tăng cơ hội tìm thấy sự kết hợp các đặc tính mong muốn.

5. Ổn định giống

Sau nhiều thế hệ chọn lọc, các cây thu được sẽ trở nên đồng nhất và ổn định hơn đối với các đặc tính mong muốn. Điều này có nghĩa là con cái sẽ giống với bố mẹ của chúng hơn. Để ổn định một giống, các nhà tạo giống thường sử dụng cận huyết, liên quan đến việc lai các cây với chính chúng hoặc với các cá thể có quan hệ gần gũi. Cận huyết làm tăng tính đồng hợp tử của cây, có nghĩa là chúng có nhiều bản sao giống hệt nhau của mỗi gen. Điều này làm giảm sự biến dị di truyền trong quần thể và làm cho giống có thể dự đoán được hơn.

Cận huyết cũng có thể có những tác động tiêu cực, chẳng hạn như giảm sức sống và khả năng sinh sản. Điều này được gọi là suy thoái cận huyết. Để tránh suy thoái cận huyết, các nhà tạo giống thường sử dụng các kỹ thuật khác, chẳng hạn như giảm hạt đơn (SSD), liên quan đến việc chọn một hạt từ mỗi cây trong mỗi thế hệ. SSD cho phép các nhà tạo giống duy trì một lượng lớn sự đa dạng di truyền trong khi vẫn dần dần cải thiện các đặc tính mong muốn.

6. Thử nghiệm và phát hành

Khi một giống đã được ổn định, nó cần được thử nghiệm để đảm bảo rằng nó hoạt động tốt trong các môi trường khác nhau và theo các phương pháp quản lý khác nhau. Điều này liên quan đến việc tiến hành các thử nghiệm đồng ruộng ở nhiều địa điểm và so sánh hiệu suất của giống mới với các giống hiện có. Các thử nghiệm được thiết kế để đánh giá năng suất, khả năng kháng bệnh, chất lượng và khả năng thích ứng của giống mới.

Nếu giống mới hoạt động tốt trong các thử nghiệm, nó có thể được phát hành cho nông dân. Quá trình phát hành thường liên quan đến việc có được giấy phép hoặc chứng nhận chính thức từ một cơ quan chính phủ. Điều này đảm bảo rằng giống đáp ứng các tiêu chuẩn nhất định về chất lượng và hiệu suất. Các nhà tạo giống cũng cần phát triển một chiến lược để sản xuất và phân phối hạt giống để đảm bảo rằng nông dân có quyền tiếp cận với giống mới.

Ví dụ về những câu chuyện thành công của chọn lọc

Chọn lọc đã đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện cây trồng và vật nuôi trên toàn thế giới. Dưới đây là một vài ví dụ:

• Lúa mì: Chọn lọc đã làm tăng năng suất lúa mì một cách đáng kể trong thế kỷ qua. Các giống lúa mì hiện đại có năng suất cao hơn, kháng bệnh và thích nghi với nhiều môi trường hơn so với các giống tiền nhiệm của chúng. Cuộc cách mạng xanh, do Norman Borlaug dẫn đầu, phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn lọc các giống lúa mì năng suất cao để chống lại nạn đói ở các nước đang phát triển.
• Lúa: Tương tự như lúa mì, chọn lọc đã làm tăng đáng kể năng suất lúa, đặc biệt là ở châu Á. Việc phát triển các giống lúa bán lùn, chẳng hạn như IR8, là một bước đột phá lớn trong cuộc chiến chống lại tình trạng mất an ninh lương thực.
• Ngô (Bắp): Chọn lọc đã biến ngô từ một loại cây trồng tương đối không hiệu quả thành một trong những loại cây trồng quan trọng nhất trên thế giới. Các giống ngô hiện đại có năng suất cao hơn nhiều, kháng bệnh và chịu được stress hơn so với tổ tiên của chúng. Ngô lai, được tạo ra bằng cách lai hai dòng thuần khác nhau, thể hiện mức độ cao của ưu thế lai.
• Cà chua: Chọn lọc đã tạo ra một loạt các giống cà chua với nhiều hình dạng, kích thước, màu sắc và hương vị khác nhau. Các nhà tạo giống cũng đã phát triển các giống cà chua có khả năng kháng các bệnh và sâu bệnh phổ biến.
• Vật nuôi: Chọn lọc đã được sử dụng để cải thiện năng suất và chất lượng của vật nuôi trong nhiều thế kỷ. Ví dụ, các nhà tạo giống đã chọn những con bò cho sản xuất nhiều sữa hơn, gà đẻ nhiều trứng hơn và lợn lớn nhanh hơn và nạc hơn.

Đây chỉ là một vài ví dụ về nhiều câu chuyện thành công của chọn lọc. Chọn lọc đã đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện an ninh lương thực, dinh dưỡng và sinh kế trên toàn thế giới.

Ưu điểm và nhược điểm của chọn lọc

Chọn lọc mang lại một số lợi thế:

• Tương đối đơn giản và không tốn kém: Chọn lọc là một kỹ thuật tương đối đơn giản và không tốn kém mà các nhà tạo giống có thể sử dụng với nguồn lực hạn chế.
• Hoạt động trong biến dị tự nhiên: Chọn lọc hoạt động trong biến dị di truyền tự nhiên đã có trong một loài. Điều này tránh sự cần thiết phải đưa gen lạ từ các loài khác vào.
• Có thể cải thiện nhiều đặc tính cùng một lúc: Chọn lọc có thể được sử dụng để cải thiện nhiều đặc tính cùng một lúc.
• Dẫn đến các giống ổn định: Chọn lọc có thể dẫn đến sự phát triển của các giống ổn định, duy trì các đặc tính mong muốn của chúng trong nhiều thế hệ.

Tuy nhiên, chọn lọc cũng có một số nhược điểm:

• Quá trình chậm: Chọn lọc có thể là một quá trình chậm, đòi hỏi nhiều thế hệ để đạt được những cải thiện đáng kể.
• Giới hạn bởi biến dị có sẵn: Chọn lọc bị giới hạn bởi số lượng biến dị di truyền có sẵn trong một loài. Nếu một đặc tính mong muốn không có trong quần thể, nó không thể được giới thiệu chỉ thông qua chọn lọc.
• Có thể dẫn đến suy thoái cận huyết: Cận huyết, thường được sử dụng để ổn định các giống, có thể dẫn đến suy thoái cận huyết, có thể làm giảm sức sống và khả năng sinh sản.
• Có thể vô tình chọn các đặc tính không mong muốn: Chọn lọc có thể vô tình chọn các đặc tính không mong muốn có liên quan đến các đặc tính mong muốn.

Các kỹ thuật hiện đại bổ sung cho chọn lọc

Mặc dù chọn lọc truyền thống vẫn là nền tảng, công nghệ hiện đại nâng cao hiệu quả và độ chính xác của nó:

Chọn lọc hỗ trợ dấu chuẩn (MAS)

MAS sử dụng các dấu chuẩn ADN liên kết với các gen mong muốn để xác định các cây có các gen đó trong giai đoạn đầu phát triển. Điều này đẩy nhanh quá trình chọn lọc, đặc biệt đối với các đặc tính khó hoặc tốn kém để đo lường trực tiếp (ví dụ: khả năng kháng bệnh).

Di truyền học và Tin sinh học

Những tiến bộ trong lĩnh vực di truyền học cho phép các nhà tạo giống phân tích toàn bộ bộ gen của cây, xác định các gen kiểm soát các đặc tính quan trọng. Các công cụ tin sinh học được sử dụng để quản lý và phân tích một lượng lớn dữ liệu do các nghiên cứu về bộ gen tạo ra.

Định kiểu hình thông lượng cao

Định kiểu hình thông lượng cao sử dụng các hệ thống và cảm biến tự động để đo nhanh các đặc tính của cây trên quy mô lớn. Điều này cho phép các nhà tạo giống đánh giá nhiều cây hơn một cách chính xác hơn, cải thiện hiệu quả chọn lọc.

Thể lưỡng bội nhân đôi

Công nghệ lưỡng bội nhân đôi đẩy nhanh quá trình chọn giống bằng cách tạo ra các cây hoàn toàn đồng hợp tử chỉ trong một thế hệ. Điều này loại bỏ sự cần thiết của nhiều thế hệ tự thụ phấn để đạt được sự ổn định.

Chỉnh sửa gen

Các kỹ thuật như CRISPR-Cas9 cho phép các nhà tạo giống chỉnh sửa chính xác các gen trong cây, đưa các đặc tính mong muốn vào hoặc loại bỏ những đặc tính không mong muốn. Mặc dù bản thân nó không phải là chọn lọc, việc chỉnh sửa gen có thể bổ sung cho chọn lọc bằng cách tạo ra các biến dị mới hoặc sửa chữa các khuyết tật.

Tương lai của Chọn tạo Giống Cây trồng

Chọn tạo giống cây trồng phải đối mặt với nhiều thách thức trong thế kỷ 21, bao gồm:

• Biến đổi khí hậu: Phát triển các giống thích nghi với sự thay đổi khí hậu, bao gồm hạn hán, nắng nóng và lũ lụt gia tăng.
• Các bệnh và dịch hại mới nổi: Phát triển các giống có khả năng kháng các bệnh và dịch hại mới và đang phát triển.
• Nhu cầu lương thực ngày càng tăng: Tăng năng suất cây trồng để đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng từ dân số toàn cầu đang phát triển.
• Nông nghiệp bền vững: Phát triển các giống bền vững hơn, đòi hỏi ít nước, phân bón và thuốc trừ sâu hơn.
• An ninh dinh dưỡng: Cải thiện hàm lượng dinh dưỡng của cây trồng để giải quyết tình trạng suy dinh dưỡng và thiếu vi chất dinh dưỡng. Tăng cường sinh học, quá trình tăng hàm lượng chất dinh dưỡng của cây trồng thông qua chọn giống hoặc kỹ thuật di truyền, là một chiến lược quan trọng để cải thiện an ninh dinh dưỡng.

Để giải quyết những thách thức này, chọn tạo giống cây trồng sẽ cần tiếp tục đổi mới và áp dụng các công nghệ mới. Điều này bao gồm việc sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như di truyền học, chỉnh sửa gen và định kiểu hình thông lượng cao. Nó cũng đòi hỏi việc thúc đẩy sự hợp tác giữa các nhà tạo giống, nhà nghiên cứu và nông dân để đảm bảo rằng các giống mới được thích nghi tốt với các điều kiện địa phương và đáp ứng nhu cầu của nông dân.

Các cân nhắc về đạo đức

Chọn tạo giống cây trồng cũng đặt ra một số cân nhắc về đạo đức:

• Tiếp cận hạt giống: Đảm bảo rằng nông dân có quyền tiếp cận với hạt giống chất lượng cao và giá cả phải chăng. Các công ty hạt giống thường cấp bằng sáng chế cho các giống mới, điều này có thể hạn chế quyền tiếp cận và tăng chi phí hạt giống.
• Đa dạng di truyền: Bảo tồn sự đa dạng di truyền trong cây trồng. Việc áp dụng rộng rãi một số giống năng suất cao có thể dẫn đến mất sự đa dạng di truyền, khiến cây trồng dễ bị bệnh và sâu bệnh hơn.
• Tác động đến nông dân sản xuất nhỏ: Đảm bảo rằng các giống mới mang lại lợi ích cho nông dân sản xuất nhỏ ở các nước đang phát triển. Một số giống mới có thể yêu cầu các yếu tố đầu vào hoặc thực hành quản lý tốn kém mà nông dân sản xuất nhỏ không thể tiếp cận được.
• Tính minh bạch và sự tham gia của công chúng: Thu hút công chúng vào các cuộc thảo luận về chọn tạo giống cây trồng và đảm bảo rằng quá trình này minh bạch và có trách nhiệm giải trình.

Giải quyết những cân nhắc về đạo đức này là điều cần thiết để đảm bảo rằng chọn tạo giống cây trồng góp phần tạo ra một hệ thống lương thực bền vững và công bằng hơn.

Kết luận

Chọn lọc là một công cụ mạnh mẽ để cải thiện cây trồng và đã đóng một vai trò quan trọng trong việc tăng sản xuất lương thực và cải thiện phúc lợi của con người. Bằng cách hiểu các nguyên tắc và kỹ thuật của chọn lọc, các nhà tạo giống có thể phát triển các giống cải tiến có năng suất cao hơn, kháng bệnh và thích ứng với môi trường thay đổi. Khi chúng ta phải đối mặt với những thách thức mới như biến đổi khí hậu và dân số toàn cầu đang gia tăng, chọn tạo giống cây trồng sẽ tiếp tục là điều cần thiết để đảm bảo an ninh lương thực và một tương lai bền vững. Việc tích hợp các công nghệ hiện đại, kết hợp với cam kết thực hiện các hoạt động đạo đức và bền vững, sẽ rất quan trọng để tối đa hóa lợi ích của chọn tạo giống cây trồng cho tất cả mọi người.