🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình cơ sở di truyền chọn giống cây trồng Ebooks Nhóm Zalo l i i m I U MÍM li G I .0000019531 c V À ĐÀ O TẠ O \ \ NGUYÊ N NGUYỄ N V Ũ THAN H THAN H - C H U HOÀN G MẬ U GIÁ O TRÌN H CƠS ỞDITRUYỂ N CHỌ N GIÔN G CÂ Y TRON G • B Ộ GIÁ O DỤ C V À ĐÀ O TẠ O • • • Đ Ạ I HỌ C THÁ I NGUYÊ N TS. NGUYỄN VO THANH THANH - PGS.TS. CHƯ HOÀNG MẬU Giá o trìn h C ơ S Ở D I TRUYỀ N CHỌ N GIỐN G CÂ Y TRỒN G DẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRUNG TAM HỌC LIỆU NHÀ XUẤT BẢN Đ Ạ I HỌC QUỐC GIA HÀ NỘ I B ộ GIÁ O DỤ C V À ĐÀ O TẠ O Đ Ạ I HỌ C THÁ I NGUYÊ N TS. NGUYỄN VŨ THANH THANH - PGS.TS. CHƯ HOÀNG MẬU Giá o trìn h C ơ S Ở D I TRUYỀ N CHỌ N GIÓN G CÂ Y TRỔN G ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRUNG TAM HỌC LIỆU NHÀ XUẤT BẢN Đ Ạ I HỌC QUỐC GIA HÀ NỘ I B ộ GIÁ O DỤ C V À ĐÀ O TẠ O Đ Ạ I HỌ C THÁ I NGUYÊ N TS. NGUYỄN VŨ THANH THANH - PGS.TS. CHU HOÀNG MẬU Giá o trìn h C ơ S Ở D I TRUYỀ N CHỌ N GIỐN G CÂ Y TRỔN G DẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRUNG TÌM HỌC LIỆU NHÀ XUẤT BẢN Đ Ạ I HỌC QUỐC GIA HÀ NỘ I B Ộ GIÁ O DỤ C V À ĐÀ O TẠ O D Ạ I HỌ C THẢ I NGUYÊ N TS. NGUYỄN VŨ THANH THANH - PGS.TS. CHƯ HOÀNG MẬU Giá o trìn h C ơ S Ở D I TRUYỀ N CHỌ N GIÓN G CÂ Y TRỔN G DẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRUNG TẮM HỌC LIỆU NHÀ XUẤT BẢN Đ Ạ I HỌC QUỐC GIA HÀ N Ộ SÁCH ĐƯờC XUẤT BẢN BỞI sự TÀI TRờ CỦA Dự ÁN GIÁO Dực ĐẠI HỌC 2 M Ụ C LỤ C Trang Lời nói đầu 7 Danh mục chữ cái viết tắt 11 Mở đầu 11 Ì. Di truyền học và Khoa học chọn giống cây trồng 11 2. Một số khái niệm trong chọn giống cây trồng 16 Chương 1. Cơ sở của đặc tính di truyền 21 Ì. Cơ sở tế bào học 21 2. Cơ sờ phân tử học 40 3. Những quy luật cơ bàn cùa tính di truyền 45 Chương ĩ. Vật liệu khởi đầu trong chọn giống cây trồng 55 Ì. Phân loại vật liệu khởi đầu 55 2. Học thuyết về trung tâm phát triển giống cây trồng 59 3. Thu thập, bào quản, nghiên cứu và sử dựng vật liệu khởi đâu 62 Chuông 3. Ưu thế lai và các phương pháp lai giống trong chọn giống cây trông 83 LƯU thế lai 83 2. Lai gần 106 3. Lai xa 123 3 Chương 4. Di truyền đa bội th i và chọn giống cây trồng 131 Ì. Khái niệm và ý nghĩa của việc nghiên cứu đa bội thề 131 2. Phân loại các kiểu đa bội thể 134 3. Các con đường hình thành đa bội thể 140 4. Đặc điểm di truyền đa bội thể 141 5. Đặc điểm di truyền của thể lệch bội 142 6. Các phương pháp gây đa bội thể thực nghiệm 143 7. Phương pháp chọn lọc thể đa bội 146 8. Hiệu ứng cùa tính đa bội 147 9. Thành tựu và nguyên tắc của phương pháp chọn giống đa bội thể 148 Chương 5. Đột biến và ứng dụng trong chọn giống cây trồng 151 Ì. Khái niệm và vai trò của đột biến trong chọn giống 151 2. Các tác nhân gây đột biến 153 3. Phân loại đột biến 158 4. Sự phát sinh đột biến và phân tích đột biến qua các thế hệ 164 Chương 6. Di truyền số lượng và phân tích tính trạng sổ lượng trong chọn giống cây trồng Ì. Di truyền số lượng 181 2. Phân tích các tính trạng số lượng 184 3. Phân tích sự di truyền và biến dị tính trạng số lượng 198 Chương 7. Lai tế bào soma và nuôi cấy mô tế bào thực vật trong chọn giống cây trồng 207 Ì. Lai tế bào soma ' 207 2. Nuôi cấy in vitro trong nhân giống cây vô tính 223 3. Nuôi cấy đỉnh sinh trường (meristem) làm sạch virus 227 4 4. Nuôi cấy bao phấn và sản xuất cây đơn bội 229 5. Chọn lọc dòng biến dị soma 230 6. Nuôi cấy phôi, nuôi cấy noãn và thụ phấn in vitro 232 Chương 8. Kỹ thuật chuyển gen và ứng dụng 235 trong chọn giống cây trồng Ì. Lịch sử chuyển gen ở cây trồng 235 2. Khái niệm và nguyên tắc chuyển gen 236 3. Vector sử dụng trong chuyển gen 240 4. Các phương pháp chuyển gen 242 5. Tiềm năng và hạn chế của kỹ thuật chuyển gen 254 6. Kỹ thuật RNAi trong nghiên cứu cây trồng chuyển gen kháng virus 258 7. ứng dụng của cây trồng chuyển gen 262 Chương 9. Chỉ thị phân tử và chọn giống cây trồng 265 1. Chỉ thị phân tử 26 5 2. Một số chỉ thị sử dụng ương chọn giống cây trồng 266 3. ứng dụng cùa chi thị phân tử ữong chọn giống cây trồng 294 Tài liệu tham khảo 297 5 L Ờ I NÓ I ĐÀ U Trong những năm gần đây, khoa học chọn giống cây trồng đã đạt được nhiều thành tựu lớn nhờ ứng dụng những tri thức và kỹ thuật hiện đại của sinh học và công nghệ sinh học. Trên cơ sở kế thừa các tri thức về di truyền học và cập nhật các tài liệu và công trình nghiên cứu trong những năm gần đây về di truyền học phân từ và công nghệ sinh học hiện đại, Giáo trình cơ sở di truyền chọn giống cây trồng được biên soạn nhằm cung cấp những kiến thức cơ bàn, hiện đại về cơ sở di truyền học cũng như cách tiếp cận nghiên cứu mới và những định hướng ứng dụng trong chọn giống cây trồng. Đặc biệt, cuốn giáo trình còn trình bày những vấn đề mới, như ứng dụng công nghệ gen, công nghệ tế bào thực vật trong tạo giống cây trồng, kỹ thuật RNAi và chọn giống bằng chi thị phân tử. Cuốn Giảo trình cơ sở di truyền chọn giong cây trồng có thể sử dụng làm tài liệu nghiên cứu, giảng dạy và học tập bộ môn này ờ trường đại học, cao đẳng và là tài liệu tham khảo cho giáo viên của trường phổ thông. Cuốn Giáo trình cơ sở di truyền chọn giống cây trồng được cấu trúc bời phần mở đầu, 9 chương và tài liệu tham khảo, cụ thể như sau: Mở đầu Chương ỉ. Cơ sở của đặc tính di truyền Chương 2. Vật liệu khởi đầu trong chọn giống cây trồng Chương 3. Ưu thế lai và các phương pháp lai trong chọn giống cây trồng 7 Chương 4. Di truyền đa bội thể và chọn giống cây ừồng Chương 5. Đột biến và ứng dụng trong chọn giống cây trồng Chuông 6. Di ừuyền số lưấng và phân tích tinh ừạng sỗ lưấng trong chọn giống cây trồng Chương 7. Lai tế bào soma và nuôi cấy mô tế bào thực vật trong chọn giống cây ừồng Chương 8. Kỹ thuật chuyển gen và ứng dụng trong chọn giống cây ừồng Chương 9. Chỉ thị phân tử và chọn giống cây ừồng Tài liệu tham khảo Các tác giả xin cảm ơn sự hồ trợ kinh phí của Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên và Dự án Giáo dục Đại học 2 (Quỹ Trig) để Giảo trình cơ sở di ừưyền chọn giống cây trồng được biên soạn và xuất bản. Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lương Văn Hĩnh và PGS.TS Nguyễn Thị Tâm đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho cuốn giáo trình này. Xin cảm ơn ý kiến của các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp. Chúng tôi đã cố gắng hoàn thành việc biên soạn và xuất bản cuốn giáo trình này để phục vụ đào tạo và nghiên cứu. Trong quá trình biên soạn chắc chắn còn có những hạn chế, Tất mong nhận được nhũng góp ý cùa bạn đọc. Mọi đóng góp xin gửi về địa chi: Khoa Khoa học Sự sống, Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên. Điện thoại: (84) 912664126; (84) 913383289 E-mail. [email protected]; [email protected]. vn: Các tác giả 8 DAN H MỤ C CH Ữ CÁ I VIẾ T TẮ T AFLP Ampliíìed Fragment Length Polymorphism (Đa hình độ dài các đoạn được nhân bản có chọn lọc) ABA Abcisis acid DNA Deoxyribonucleic acid RNA Ribonucleic acid ATP Adenosine triphosphate ATP-ase Enzym phân giải ATP cDNA Complementary DNA (Sợi DNA bổ sung được tổng hợp từ RNA thông tin nhờ enzym phiên mã ngược) A. tumefaciens Agrobacterium tumefaciens bp Base pair cs cộng sự dNTP deoxynucleoside ứiphosphate E. colỉ Escherichia coỉỉ GƯS p -Glucuronidase gene (Gen mã hóa enzyme P-Glucuronidase) HSP Heat shock protein (Protein sốc nhiệt) kb kilo base 9 MS Môi trường muối cơ bản theo Murashige và Skoog(1962) NST Nhiễm sắc thể OD Optical density P C R Polymerase Chain Reaction (Phản ứng chuỗi polymerase) RAPD Random Ampliíied Polymorphic DNA (Đa hình DNA nhân bản ngẫu nhiên) RPLP Restriction Fragment Length Polymorphisms (Đa hình độ dài các đoạn cắt giới hạn) RNAi RNA interference SDS Sodium dodecylsulfat S S R Simple Sequence Repeat (Trình tự lặp lại đơn giản) S T S Sequence Tagged Site (Điểm ừật tự được đánh dấu) Tay Thermus aquaticus T-DNA Transfer DNA (đoạn ADN được chuyển) Ti-plasmid Tumor inducing plasmid (plasmid cùa vi khuẩn gây khối u) M Ở ĐÀ U 1. DI TRUYỀN HỌC VÀ KHOA HỌC CHỌN GIÔNG CÂY TRÒNG 1.1. Đối tượng nghiên cứu Chọn giống cây trồng là khoa học nghiên cứu các biện pháp cải tiến tính di truyền của giống hiện có nhàm tạo giống mới; tuyên chọn giống từ các quần thể có nguồn gốc địa phương hoặc ngoại nhập; chọn lọc, bồi dưỡng tạo ra giống mới có năng suất và phàm chất cao hem so với giống cũ. Chọn giống cây trồng là khoa học mang tính tổng hợp. Chọn giống cây trồng sử dụng phương pháp của các khoa học khác, nó có liên quan chặt chẽ với thực vật học, tế bào học, di truyền học, sinh lý học thực vật, hoa sinh, sinh thái học, côn trùng, bệnh cây, bào quản chế biến, kỳ thuật trồng trọt... trong đó Di truyền học là nền tảng cơ bản cùa chọn giống cây trồng. Đối tượng của môn học Cơ sờ di truyền chọn giống cây trồng là nghiên cứu ứng dụng những tri thức về bản chất, tính quy luật của hiện tượng di truyền và biến dị trong việc xây dựng các phương pháp tạo vật liệu khởi đầu, tạo nguồn nguyên liệu cho quá trình chọn lọc; nghiên cứu cơ sở di truyền phân tử của phương pháp chọn giống bàng chi thị phân tử. Đối tượng nghiên cứu của chọn giống cây trồng là nghiên cứu biện pháp: (i) lựa chọn vật liệu khởi đầu, (li) tạo nguồn nguyên liệu cho quá trình chọn lọc, (iii) chọn lọc, đánh giá và bồi dường giống, (iv) khảo nghiệm và đưa vào sản xuất đại trà. l i 1.2. Di truyền học là cơ sở của chọn giếng cây trồng Chọn giống cây trồng có cơ sở là di truyền học. Di truyền học là khoa học nghiên cứu hai đặc tính cơ bàn của sự sồng: tình di truyền và biển dị. Đó là sự nghiên cứu bản chất và tính quy luật của các hiện tượng di truyền và biến dị của sinh vật. Tinh di truyền là đặc tính chung của mọi sinh vật và là khả năng vốn có của sinh vật. Sinh vật luôn có xu hướng giữ lại những đặc điểm của bố mẹ và tô tiên cho con cháu. Hiện tưấng di truyền là sự sao chép những tính trạng và tính chất của bố mẹ và tổ tiên cho con cháu, hay nói cách khác di truyền là hiện tượng bố mẹ truyền cho con cháu những đặc điểm giống chúng qua quá trình sinh sản. Tỉnh biến dị là đặc tính chung của mọi sinh vật và là khả năng vốn có của sinh vật. Sinh vật luôn có xu hướng xuất hiện những sai khác giữa các cá thể con với nhau và giữa con với bố mẹ. Còn hiện tưấng biển dị là sự sai khác giữa các cá thể con với nhau và giữa con với bố mẹ. Những luận điểm của di truyền học về tính di truyền của sinh vật, học thuyết về đột biến, về đa bội thể, những khái niệm về kiểu gen và kiểu hình, về tính trội và tính lặn, về gen độc lập và gen liên kết, về di truyền chất lượng và di truyền số lượng, về tính trạng đa gen và tính đa hiệu của gen, về thể đồng hợp và thể dị hợp, về lai giống và ưu thế lai... có ý nghĩa quan trọng đối với công tác chọn t t \ t í tạo và sản xuât giông cây trông. Vì vậy, muôn chọn giông có cơ sờ khoa học, muôn nhanh chóng tạo ra các giông cây trông mới, người làm công tác chọn giống phải nắm được các quy luật cơ bản của di truyền học. Di truyền học là cơ sờ cho việc ứng dụng các phương pháp chọn lọc cá thể, lý luận về lai giống và ưu thế lai, các lý luận về đa bội thể và đột biển, lý luận về chuyển gen. Nhờ sự phát triển của di truyền học, người ta đã đề ra các phương pháp mới để tạo ra các vật liệu khởi đầu và các biện pháp điều khiển tính di truyền của sinh vật. Với việc ứng dụng các phương pháp mới cùa di truyền học hiện đại, công tác chọn tạo giống ngày nay đà đạt được nhiều 12 . ị l í thành quả to lớn. Vì vậy, cơ sở di truyền chọn giông cây trông lây di truyền học làm cơ sở lý luận. Mặt khác, nhờ những kết quả thực • A í Ì « tiên của công tác chọn tạo giông mà lý luận di truyền học ngày càng phát triển hoàn chỉnh hơn. Vì vậy, thực tiễn của công tác chọn tạo và sản xuất giống là cơ sở cho lý luận di truyền phát triển, ngược lại lý luận di truyền chi đạo thực tiễn chọn tạo và sản xuất giống. Di truyền học, chọn tạo và sàn xuất giống có mối liên quan chặt chẽ với nhau. Chọn tạo giống cây trồng không những chi dựa vào năng suất, phẩm chất mà còn phải dựa vào các đặc trưng đặc tính khác của giống như tính chống chịu với điều kiện bất lợi của môi trường (chịu rét, chịu hạn, chống sâu, chống bệnh,...), chống lốp đổ, chổng rụng hạt, thời gian sinh trường... Vì thế, nhà chọn giống không chi nắm vững và hiểu sâu sắc về khoa học chọn giống và di truyền học mà còn phải nắm vững kiến thức cùa các khoa học khác có liên quan để đánh giá toàn diện và chính xác các vật liệu, hiểu được mặt tốt và không tốt của các vật liệu đó nhằm tạo được giống tốt, có chất lượng cao phục vụ sản xuất và đời sống của con người. Để chọn giống cây trồng có hiệu quà, ngoài việc lấy di truyền học làm cơ sở lý luận và kết hợp chặt chẽ với các môn học khác thì chọn giống cây trồng còn phải kết hợp với các kỹ thuật trồng trọt. Các biện pháp kỹ thuật trồng trọt có ảnh hưởng đến sinh trường và phát triển của từng giống. Đe phát huy các ưu điểm cùa giống, cần áp dụng kỹ thuật trồng trọt thích hợp cho từng loại giống. Nếu chỉ nghiên cứu chọn tạo giống tốt mà không cải tiến kỹ thuật trồng trọt cho phù hợp với yêu cầu của giống thì không thể tăng năng suất được, có khi kết quả còn ngược lại. Để tăng năng suất cây trồng thì yếu tố giống và các biện pháp kỹ thuật có liên quan chặt chẽ với nhau. Cho nên trong quá trình tạo giống cây trồng mới cần chú ý cả hai khâu: chọn tạo giống mới và cải tiến kỹ thuật trồng trọt cho phù hợp. 13 1.3. Lược sử của chọn giống cầy trồng Chọn giống cây trồng bắt đầu từ khi lần đầu tiên con người biết chọn những cây hoang dại đem về trồng ữọt. Quá trình như vậy được gọi là sự thuần hoa (domestication). Trong quá trình thuần hoa có thể có sự chọn lọc và điều này cho phép tạo ra các giống cây trồng mang nhiều đặc tính tốt hơn các giống hoang dại. Như vậy, sự thuần hoa có thể được xem như một phương pháp chọn giống cây trồng. Sự thuần hoa cây trồng vẫn còn tiếp diễn cho đến nay. Tiếp đó, con người đà biết sử dụng các loại cây ữồng nhập từ vùng này đến vùng khác hoặc lấy từ nước này đến nước khác. Năm 1717, Thomas Faiưchild đã nhận được cây lai nhân tạo đầu tiên. Trong những năm 176Ọ và 1766, Joseph Kolreuter đà lai giữa các giống thuốc lá với nhau. Andrew Knight (1759-1835), là người đầu tiên nhận được một số giống hoa quả bằng con đường lai hữu tính. Năm 1840, Le Couteur và Shirieí đã sử dụng phương pháp chọn lọc cá thể trong chọn tạo giống ở các cây ngũ cốc. Năm 1856, Vilmoril đã thành công trong sử dụng phương pháp chọn lọc cá thể ở củ cải đường. Năm 1903, Johannsen đã đưa ra thuyết dòng thuần để giải thích cơ sở di truyền của phương pháp chọn lọc cá thể. Thông qua các công trình của Gregor Mendel, Hugo Marie de Vries và nhiều nhà khoa học khác, sự phát triển của di truyền học vào đầu thế kỷ XX đã thiết lập nền móng khoa học vững chắc cho chọn giống thực vật. ờ giai đoạn di truyền học cổ điển, các quy luật di truyền cùa Mendel cung cấp cơ sở ban đầu cho việc xác định được các phương thức di truyền khác nhau. Nhờ đó, các nhà nghiên cứu đà đóng góp cho sự phát triển và hiểu biết về chọn giống thực vật. Ngày nay, công tác tạo giống cây trồng đều dựa trên nguyên lý di truyền nhân và di truyền tế bào chất. Trên cơ sờ lý thuyết về nhiễm sắc thể, thành phần và cấu trúc gen, người ta đã đưa ra hàng 14 loạt các phương pháp chọn giống hiện đại như lai tạo, đột biên, dung hợp tế bào trần, chuyển gen. Đặc biệt, việc sử dụng kỹ thuật di truyền trong việc tạo các cây trồng chuyển gen mang nhiều tính trạng quý đã và đang được thực hiện trên nhiều loại cây trồng. Ví dụ: tạo cây bông chuyền gen kháng sâu, cây đu đù chuyển gen kháng virus,... 1.4. Vị trí và mục tiêu của chọn giống cây trồng Giống cây trồng là tư liệu để sản xuất, không có giống cây trồng thì không thể sàn xuất được nông sản. Vì vậy, giống cây trồng tốt là cơ sở để tăng năng suất cây trồng. Việc sử dụng các giống cây trồng mới kết hợp với các biện pháp và kỳ thuật tiên tiến áp dụng vào sàn xuất đã trờ thành cuộc cách mạng xanh trong sản xuất nông nghiệp. Chọn giống cây trồng hướng tới việc cải tiến các đặc tính cùa cây trồng nhằm đạt hiệu quả nông học và kinh tế cao hơn. Định hướng cùa chọn giống cây trồng là: (i) tạo giống có năng suất cao, chất lượng tốt, đáp ứng nhu cầu cùa người tiêu dùng; (ii) tạo giống cây ừồng có khả năng chống chịu sâu bệnh và chống chịu với điều kiện ngoại cảnh bất lợi như hạn, lạnh, úng,...; (iii) tạo giống cây trồng thay đổi thòi gian sinh trường; (iv) chọn giống cây trồng cỏ sự thay đổi về đặc tính nông học và tính cảm quang. 1.5. Nội dung của chọn giông cây trông Quá ữình chọn giống cây trồng trải qua các giai đoạn như chọn lọc, đánh giá, nhân giống và phổ biến sàn xuất, cụ thể được trình bày ở sơ đồ dưới đây: 15 Thuần hoá Thu thập nguồn gen Nhập nội Lai tạo L ì X ri TẠO GIONG Chọn lọc Đánh giá Nhân giống «-Công nghệ tế bào thực vật « Đột biến 4 Đa bội thể 4 Kỹ thuật di truyền Phổ biến sản xuất 2. MỘT SỐ KHÁI NỆM TRONG CHỌN GIÓNG CÂY TRỒNG 2.1. Khái niệm giống cây trồng Giông là một quần thể cây trồng do con người sáng tạo ra nhăm thỏa mãn nhu cầu của mình. Quàn thể cây trồng đó có đặc điểm kinh tể, sinh học và các tính trạng hình thái giống nhau, cho năng suất cao, chất lượng tốt ở các vùng sinh thái khác nhau với điều kiện kỳ thuật phù hợp. Giống (Cultỉvar) do một nhóm thực vật cùng loài hợp thành nên có một nguồn gốc chung từ một cá thể hay một số cá thể có đặc trưng đặc tính giống nhau. Ifi 2.2. Phân loại giống cây trồng 2.2.1. Giống địa phương Giống địa phương hình thành do chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo thực hiện trong hàng chục, hàng trăm năm tại một vùng nào đó với những điều kiện khí hậu, đất đai và đặc điểm canh tác nhất định. Giống địa phương có những đặc điểm tốt như sau: cỏ khả năng thích ứng, khả năng chống chịu tốt với điều kiện canh tác ờ địa phương đó; nâng suất khá ổn định; nhiều giống địa phương có phẩm chất rất tốt. Do có những đặc điểm tốt trên nên giống địa phương có vị trí quan trọng trong sản xuất và là nguồn vật liệu khởi đầu quý giá trong chọn tạo giống mới. Nhược điểm của giống địa phương là thường năng suất không cao và một số giống địa phương biểu hiện thoái hóa. Vì vậy, cần chú ý chọn lựa, bồi dưỡng tốt các giống địa phương mới có thể nâng cao năng suất và phẩm chất của giống. 2.2.2. Giống tạo thành Giống tạo thành là những giống do các cơ quan tạo giống cùa nhà nước hoặc do những nhà tạo giống tư nhân bằng các phương pháp khoa học tạo ra. Giống tạo thành có đặc điểm tốt là thường có độ đồng đều cao, năng suất cao và khả năng thích ứng rộng. Tùy phương pháp chọn tạo khác nhau mà giống tạo thành chia ra các nhóm sau: (1) Nhóm giống - dòng: được tạo thành bàng phương pháp chọn lọc cá thể. Cơ sờ của giống là dòng thuần nên các cá thể trong quần thể có mức độ đồng nhất cao về kiểu gen. Đặc điểm của giống ổn định qua các thế hệ. (2) Nhóm giống - dòng vô tỉnh: tạo thành bằng phương pháp nhân vô tính từ một cá thể chọn lọc. Các dòng sinh sản vô tính này ị DẠI HỌC THÁI NGUYÊN ị =ịssssfi*ỈM HÓC LIÊU 17 cỏ những mức độ dị hợp tử rất khác nhau tùy theo đặc điểm cùa cá thể chọn lọc ban đầu. Các cá thể trong cùng dòng vô tính đều có cùng một kiểu gen nên có độ đồng nhất cao ve các tính trạng. (3) Nhóm giống quần thể (hỗn hấp): được tạo ra có thể bằng phương pháp chọn lọc hỗn hợp cải lương hay các giống lai từ nhiều nguồn bố mẹ khác nhau của cây giao phấn. Đặc điểm của nhỏm giống này là các cá thể trong quần thể không đồng nhất với nhau về mặt di truyền, vốn gen dễ thay đổi qua quá trình canh tác. Các giống địa phương cũng thuộc nhóm giống này. (4) Nhỏm giống lai FI: bao gồm những giống lai cùa cây tự thụ phấn và cây giao phấn được tạo ra nhằm sử dụng ưu thế lai. Đặc điểm chung của nhóm giống này là có nâng suất cao và độ đồng đều cao ờ FÌ, nhưng giảm mạnh ở các thế hệ sau. r r ệ \ (5) Nhỏm giông đa bội và giông đột biên: bao gôm những giống có số lượng nhiễm sắc thể lớn hơn số lượng thông thường của loài cây trồng đó, chúng thường là các giống tam bội hay tứ bội. Các giống đột biến được tạo thành bằng phương pháp đột biến thục nghiệm. (6) Nhóm giống chuyến gen: được tạo thành bằng phương pháp chuyển một hoặc một số gen quý của loài khác (vi sinh vật, động vật, thực vật) để tạo ra giống mới. Những giống chuyển gen ngày nay đang được sử dụng ngày càng nhiều trong sản xuất. 2.3. Đặc trưng của giống Đặc trưng là những tính trạng của cây trồng mà con người nhận biết được thông qua cân, đong, đo, đếm, quan sát. Ví dụ: chiều cao cây, chiều dài bông, số lá, số hạt, khối lượng hạt, màu sắc quả, dạng hạt... Đặc trưng chia làm hai loại: (i) Đặc trưng về số lượng: là những tính trạng có thể cân đong, đo, đếm được. 18 (li) Đặc trưng về chất lượng: là những đặc trưng có thể nhìn thấy được nhưng không thể đếm được như màu sắc của hoa, độ trong của hạt gạo... Đặc trưng của giống được thể hiện qua các tính trạng hình thái. Nghiên cứu các đặc trung hình thái giúp ta phân biệt được vật liệu này với vật liệu khác, xác định được vật liệu thuộc loại nào. Phân loại học là cơ sờ cho việc nghiên cứu các đặc trưng về hình thái cùa giống. 2.4. Đặc tính của giống Đặc tính là những tính trạng mà muốn xác định nó phải thông qua các đặc trưng hoặc thông qua phân tích bằng các phương pháp khoa học. Giống cây trồng cỏ các đặc tính cơ bản sau đây: (ì) Đặc tỉnh kinh tế: Là điểm quan trọng nhất khi nghiên cứu vật liệu khởi đầu. Đặc tính kinh tế của giống chủ yếu biểu hiện qua năng suất, các yếu tố tạo thành năng suất trong điều kiện đất đai và kỹ thuật canh tác nhất định. (ti) Đặc tính sinh lý, sinh học: Là nghiên cứu các đặc điểm sinh trường, phát triển và các đặc tính chống chịu của các vật liệu nhu: chịu hạn, chịu lạnh, chịu mặn, chống đổ, chống chịu sâu bệnh, thời gian sinh trường, yêu cầu nhiệt độ, ánh sáng... (Hi) Đặc tính sinh hóa, lý học: Phân tích các thành phần chủ yếu của nông sản phẩm như hàm lượng protein, glucid, lipid, vitamin, độ bền, độ dài sợi... Tùy theo yêu cầu kinh tế, thị hiếu mà xác định phẩm chất về mặt dinh dưỡng, khẩu vị. (vi) Đặc tính di truyền: Nghiên cứu đặc tính di truyền của giống nghĩa là xem xét khả năng di truyền của các tính trạng quan trọng thông qua khảo sát cây lai. Tức là đem lai các vật liệu cần nghiên cứu với các giống khác để xác định khả năng kết hợp và khả năng di truyền các tính trạng đó cho cây lai. (v) Đặc tính sinh thái: Nghiên cứu đặc tính sinh thái là nghiên cứu mối quan hệ giữa cây trồng và ngoại cảnh nhằm phân loại được các loại hình sinh thái ứong vật liệu khởi đầu. 19 Chươn g Ì Cơ SỞ CỦA ĐẶC TÍNH DI TRUYỀN 1. cơ sở TÉ BÀO HỌC 1.1. Te bào - đon vị cơ bản của sự sổng Tế bào là một tổ chức chung nhất đối với mọi cơ thể sống mà trong đó thực hiện tất cả các quá trình tạo nên cơ sở của sự sống. Bất kỳ một cơ thể sống nào cùng được cấu tạo bời những tế bào nên tế bào được coi là đơn vị cơ bản của sự sống. Nhờ các thành tựu cùa nhiều ngành khoa học như vật lý quang học, hóa học, sinh học, người ta đã xác định được cấu tạo, chức năng của tế bào và các cơ quan tử của nó. Đã có nhiều bằng chứng chứng minh răng ngay cà khi có những biến đổi nhỏ, cấu trúc tế bào cũng xuất hiện đột biến tức là dẫn đến thay đổi đặc tính di truyền cùa cơ thể. Nhờ những kết quả nghiên cứu của các nhà tế bào học, di truyền học đã xác nhận được rằng trong quá trình phân bào có thể xảy ra nhiều sai lệch. Các lượng tử có năng lượng cao, các hạt cơ bản (proton, notron,...) xuyên qua nhân làm thay đổi đáng kể các phần khác nhau của axit deoxyribonucleic (DNA) và dẫn đến xuất hiện các đột biến. Ngoài ra, người ta còn thấy các chất hóa học cũng tác động đến quá trình biến dị di truyền và tăng tần số đột biến. Nghiên cứu về cấu trúc, chức năng của tế bào là cơ sờ cho sự hiểu biết các quy luật di truyền, biến dị và quá trình thụ tinh. Nghiên cứu chi tiết về quá trình phát triển của tế bào sinh dục giúp ta xác định được nguyên nhân gây ra năng suất thấp ở cây trồng, từ đó tìm ra những biện pháp hữu hiệu để khắc phục nhược điểm này. 21 Trong suốt thế kỷ XIX, học thuyết tế bào đã đạt được những thành tựu xuất sắc. Nó khám phá và mô tả được những cấu trúc cơ bản của tế bào, khám phá ra hiện tượng nguyên phân, giảm phân và thụ tinh. Vì vậy, vai trò của tế bào, nhân tế bào, nhiễm sắc thể đà được làm sáng tỏ. Sự hiểu biết về tế bào là cơ sở để các nhà chọn giống tìm ra các phương pháp hữu hiệu điều khiển tính ữạng ở cây trồng phục vụ công tác chọn tạo giống. Ngoài những thành phần cấu trúc và chức năng chung của í t X í một tê bào, tê bào thực vật còn có thêm một sô đặc diêm khác biệt sau: (i) Te bào thực vật có thành cellulose bao bọc do đó nó cỏ tính bền vững hơn, giúp bảo vệ mô và cơ thể tốt hơn; (li) Te bào thực vật có lạp thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp; (iii) Tế bào thực vật có không bào là nơi chứa chất dự trữ chủ yếu là tinh bột. Thành tế bào được ví như cái khung ngoài cùa tế bào, quy định hình dạng tế bào. Thành tế bào bao bọc chất nguyên sinh để ngăn cách tế bào này với tế bào lân cận. Thành tế bào thực vật bậc cao gồm cellulose liên kết với pectin và lignin. Cellulose là polysaccharide có công thức phân tử là (QHi A) h vơi n = 5000 -10000. Hạch nhân Ribosom Hình 1.1. Sơ đồ cấu trúc tế bào và các bào quan ờ thực vật 22 Các phân tử cellulose liên kết với nhau bởi các cầu nối hidro làm thành bó gọi là bó mixen. Giữa các bó mixen có các khoảng ương. ở các thành sơ cấp của các tế bào nhu mô thỉ khoảng ương là pectin, ữong các mô gỗ thì khoảng trống chứa lignin, còn các lớp tế bào bề mặt chứa cutin, trong các tế bào sợi chứa đầy nước. Thành tế bào có khả năng thấm nước rất mạnh. Nước có thể thấm được vào tận trong các sợi cellulose làm cho thành tế bào bị trương lên. 1.2. Màng tế bào, nhân và tế bào chất Cấu tạo tế bào gồm 3 phần cơ bản: màng tế bào, nhân, tế bào chất 1.2.1. Màng tể bào Màng là một tổ chức bao quanh tế bào có tác dụng bảo vệ nội bào và có tính thấm chọn lọc. Ngày nay, người ta đã làm sáng tỏ về cấu trúc và chức năng của màng tế bào. a. Thành phần hoa học của màng Màng tế bào thực vật gồm có lipid, protein, glucid và các chất khác. Lipid trong màng chủ yếu có hai dạng: lipid phần cực (ưa nước) và lipid trung tính (kỵ nước). Người ta đã xác định được hai loại protein có trong cấu trúc màng, đó là: protein hình cầu hấp thụ trên bề mặt ranh giới của hai pha lipid và protein, hoạt tính enzyme của màng chù yếu phụ thuộc vào protein này. Protein dạng sợi cùng với phospholipid giữ vai trò chủ yếu cấu tạo nên màng, làm cho nó có tính đàn hồi cao và mềm dẻo về mặt cơ học. Olygosaccharide mọc trên các đào protein, có giả thiết cho rằng nó có nhiệm vụ giữ sự ổn định cùa cấu trúc màng. Ngoài ra, các glucid còn kết hợp với lipid và protein để tạo nên glycoprotein và glycolipid. Các chất khác bao gồm các dạng lon liên kết, lon tự do và nước. Dạng các ion liên kết cố định với cấu trúc màng, quan trọng nhất là Ca 2 +, ngoài ra còn có Mg2 +, K+, Na +. Dạng các lon tự do di chuyển qua màng, hoặc tham gia vào các quá trinh trao đổi chất xảy 23 ra trong thành phần cấu trúc màng. Nước trong tế bào tồn tại dưới hai dạng tự do và liên kết. Nước liên kết quan ữọng nhất là nước liên kết với lipoprotein và chúng không bị mất đi ngay cả khi ta sấy khô tế bào. b. Cấu trúc phân tử của màng Thành phần chủ yếu của màng tể bào là lipid và protein. Theo Davson - Danielly thì màng bao gồm hai lớp phân tử phospholipid nằm thẳng góc với bề mặt tế bào. Các nhóm phân cực (ưa nước) quay ra ngoài, hướng về nước. Các nhóm không phân cực (kỵ nước) thì quay lại với nhau. Phía ngoài và phía trong lớp phospholipid có một lớp phân tử protein hình cầu. Trong đó, các nhóm phân cực của protein cũng hướng ra ngoài và các nhóm không phân cực hướng về phía lipid. Các phân tử protein tạo nên lỗ cực của màng. Mô hình cấu trúc màng của Davson - Danielly đã giải thích được tính bền vững, đàn hồi, tính thấm có chọn lọc cùa màng đối với lipid và các chất hoa tan trong lipid, giải thích í 9 * được mồi quan hệ của protein với các lô cực. Hai ông cho răng ờ hai phía của màng được bao bọc bằng protein, trong khi các lỗ mang điện tích được bao bọc bởi protein sẽ cho phép các phân tử nhò và một số lon đi qua màng. Trong mô hình khảm lỏng của mình, Singer - Nicolson đà chấp nhận quan điểm của Davson - Danielly về lớp kép phospholipid định hướng: đuôi kỵ nước quay vào trong và đầu ưa nước hướng ra môi trường ngoài chứa nước. Nhưng sự sắp xếp của protein hoàn toàn khác mô hình của Davson - Danielli. Thay vì bao bọc lấy phía ngoài màng thì hàng loạt protein đặc hiệu thâm nhập sâu vào trong màng để làm cầu nôi cho hàng loạt các chức năng cơ bản của màng. 24 Hình 1.2. Cấu trúc màng sinh chất Các protein nằm ở mặt ngoài (protein ngoại biên) có đặc điểm khác với protein nằm ở mặt trong, một số màng hoàn toàn không có protein ngoại biên. Các protein định vị một phần hoặc hoàn toàn nằm trong lớp kép phospholipid, có những vị trí như sau: + Một số nằm hoàn toàn trong lớp kép phospholipid. + Một số khác có một phần đi qua bề mặt của màng. + Một số khác có một nửa nằm ngoài lớp kép phospholipid, nửa khác nằm ở nửa trong lớp kép phospholipid. Các protein sợi nằm một phần trong màng hoặc xuyên qua màng. Một số xuyên qua toàn bộ lớp kép phospholipid, nối với môi trường nước ờ cả hai mặt. Lớp kép phospholipid tạo nên phần chính của màng. Trong màng nguyên sinh chất ở các cơ thể bậc cao, ngoài phospholipid, còn có cholesterol. Đáng chú ý là: cấu trúc của màng không cỏ tính ổn định. Các phân tử lipid có thể di chuyển dọc theo màng. Tính linh hoạt lớn nhất của phospholipid là ờ 25 những màng có hàm lượng phospholipid không no cao và ở những màng không chứa cholesterol. Khi cỏ cholesterol, nó sẽ gắn với phospholipid bên cạnh và liên kết chúng lại với nhau làm giảm tính linh hoạt của chúng. Các protein cũng cỏ thể chuyển động, nhung chậm hơn nhiều so với phospholipid. cỏ một sổ loại protein của màng bị gắn chặt vào một chỗ, do đó sẽ làm hạn chế tính linh hoạt của màng. Trong mô hình khảm lỏng, các lồ trên màng được thể hiện như các đường ống xuyên qua một hoặc một nhóm phân tử protein. Khả năng của các protein không bị cố định mà trôi ứong * Tí lớp kép của phospholipid đã giải thích tính linh hoạt của nhiêu lô trên màng. c. Chức năng của màng tê bào Màng tế bào đóng vai trò là bức tường kiên cố ngăn cách tế Ị f bào với môi trường ngoài, bảo vệ các vật chát chứa trong tê bào được ổn định, bảo vệ tế bào khỏi những tác động cơ học của môi trường ngoài. Tất nhiên, bức tường này không cố định, cứng rắn mà rất mềm dẻo, linh hoạt có thể thay đổi hình dạng, có thể chuyển động, có thể đổi mới thành phần sinh hóa của mình. Màng đóng vai trò điều hòa dòng trao đổi chất từ ngoài vào trong tế bào và từ trong tế bào ra ngoài. Nhờ đó mà nó ngăn cản không cho các vật lạ, các kẻ thù xâm nhập vào tế bào. Màng tế bào là nơi thực hiện sự trao đổi chất của tế bào. Hoạt tính trao đổi chất của màng thể hiện rõ nhất ở màng ty thể, màng mạng lưới nội sinh chất, màng của phức hệ Golgi. Chức năng quan trọng hàng đầu của màng tế bào là điều hòa sự qua lại của các chất giữa bên ương và bên ngoài tế bào. Tất cả các chát di chuyển vào hoặc ra khỏi tế bào đều phải qua vật cản là màng và màng của mỗi loại tế bào có chúc năng chuyên biệt để cho chát nào đi qua, với tốc độ nào và theo hướng nào. Tế bào thực hiện việc vận chuyển các chất qua màng bằng các quá trình tự 26 nhiên như: khuếch tán, thẩm thấu, sự vận chuyển tích cực, quá trình thực bào và quá trinh uống bào. 1.2.2. Nhân tể bào Nhân tế bào chứa nhiễm sắc thể, hạch nhân và dịch nhân. Nhân được Brawn phát hiện vào năm 1831 và được xem là thành phần bắt buộc của tất cả tế bào thực vật. Trong đời sổng của tế bào có thể chia làm hai thời kỳ: thời kỳ trao đổi chất và thời kỳ phân chia nhân. Mỗi thời kỳ nhân có cấu trúc riêng. Thời kỳ trao đổi chất nhân ở trạng thái không phân chia - trạng thái tĩnh. Thời kỳ phân chia nhân thay đổi để tiến tới sự phân chia nhân và phân chia tế bào. Hình dạng của nhân có thể thay đổi tuy chức năng của tế bào. Kích thước của nhân là đặc trưng đối với từng loại tế bào nhất định. Vị trí của nhân thay đồi theo trạng thái của tế bào, nhưng nói chung, vị trí của nhân là đặc trưng cho từng loại tế bào. Trong tế bào phôi, nhân thường nằm ờ trung tâm; trong tế bào đã phân hóa nhân thay đổi vị trí tùy theo sự hình thành các chất dự trữ trong tể bào chất. Thành phần hoa học của nhân rất phức tạp, ương đó, nucleoprotein đóng vai trò quan ừọng nhất. Chất protein nhân cỏ thành phân khá phức tạp, gôm 2 loại: Protein đơn giản có tính kiêm như: protamin, histon và protein phi histon có tính acid. Axit deoxyribonucleic (DNA) tập trung chủ yếu ở nhiễm sắc thể. Axit ribonucleic (RNA) có trong hạch nhân và trong dịch nhân. Màng nhân ngăn cách nhân với tế bào chất bao xung quanh nhân. Nhiều kết quả nghiên cứu đã cho thấy mối tương quan giữa nhân và tế bào chất phần lớn phụ thuộc vào hoạt tính cùa màng nhân. v ề tính chất, màng nhân khác với màng tế bào chất. Màng nhân khi bị thương làm cho nhân chết và toàn bộ tế bào chết. 27 Trái lại, màng tế bào khi bị tổn thương cỏ khả năng phục hồi, hàn gắn lại. v ề tính thấm, màng nhân cũng khác với màng tế bào. v ề thành phần hoa học, màng nhân có cấu trúc từ các protein không hoa tan liên kết với lipid. v ề cấu trúc, các nghiên cứu màng nhân dưới kính hiển vi điện tử đã chứng minh rằng màng nhân gồm 2 lớp màng. Một màng hướng vào nhân gọi là màng trong, một màng hướng vào tế bào chất gọi là màng ngoài. Giữa hai màng được giới hạn bời một xoang, gọi là xoang quanh nhân. Màng nhân có cấu trúc không liên tục, nó có nhiều lỗ hình trụ, qua đó mà tế bào chất thông với nhân. Các lỗ có dạng hình phễu, đường kính mặt trong và mặt ngoài khác nhau, khoảng 50 - 100Ả. Các lỗ phân bố đều với khoảng cách từ 500 - 1000Ả. Màng nhân tham gia vào quá trình tổng hợp và chuyên chở các chất, tham gia vào quá trình sinh tổng hợp protein vì mặt ngoài cùa màng nhân có đính các thể ribosome. Khi quan sát tế bào đã được nhuộm màu, người ta thấy các cấu trúc chứa chất nhiễm sắc, đỏ là những chất có tính bắt màu đặc biệt đối với một số thuốc nhuộm. Ta có thể quan sát thấy từng sợi hay búi nằm trong nhân và làm thành mạng lưới. Các búi chất nhiễm sắc được gọi là tâm nhiễm sắc. cấu trúc của chất nhiễm sắc có thể thay đổi ở các tế bào khác nhau cùa cùng Ì cơ thể, hoặc ờ tế bào cùng loại của các cơ thể khác nhau. Bàn chất của chất nhiễm sác là các DNA của nhiễm sắc thể ở dạng tháo xoắn. Nhiễm sắc thể có hình dạng và kích thước đặc trưng chi ở kỳ giữa của sự phân bào. Nhiễm sắc thể gồm có DNA, các protein histone và các protein không histone của nhiêm sắc thể. Cả 3 thành phần gộp lại là chất nhiễm sắc. Như vậy, cấu trúc chất nhiễm sắc của nhân ở gian kỳ chính là nhiễm sắc thể ờ kỳ phân chia, nhưng ờ trạng thái ẩn. Chức năng của nhân bao gồm: Truyền và tích lũy thông tin di truyền từ thể hệ này sang thế hệ; Điều hoa và điều khiển mọi hoạt động sông của tế bào. Điều hoa và điều khiển hoạt động sống của tế bào chính là điều hoa và điều khiển các quá trình tổng hợp protein, trong đó có nhiều enzyme xảy ra trong tế bào chất, vì nhân chứa 28 DNA và các loại RNA cần thiết để tổng hợp protein. Các tRNA, rRNA và mRNA đều được tổng hợp trong nhân trên khuôn DNA và được chuyển ra tế bào chất để tổng hợp protein. Các protein xây dựng nên các cấu trúc của tế bào cũng như điều hoa các phản ứng sinh hoa, qua đó, thể hiện các hoạt động sống của tế bào cũng như tính đặc trưng của cơ thể. Hạch nhân là một tiểu thể bên ngoài nhiễm sắc thể, chúng chứa protein và có mặt ở cả tế bào động vật và thực vật vào đầu giai đoạn phân chia tế bào (kỳ trước), khi đó nhiễm sắc thể co xoắn mạnh vì vậy nhìn thấy rò hạch nhân dưới kính hiển vi, cuối giai đoạn phân chia hạch nhân tan biến và xuất hiện trở lại khi kết thúc phân bào. 1.2.3. Tê bào chát và các bào quan Tế bào chất là khối nguyên sinh chất (protoplasma) nằm trong màng tế bào và bao quanh lấy nhân. Tế bào chất của một số tế bào có sự phân hóa thành 2 lớp: Lớp ngoại chất (exoplasma) ở ngoại vi, mỏng hơn và có độ nhớt cao hơn. Lớp nội chất (endoplasma) ở bên trong và bao quanh lấy nhân, chứa các bào quan như: mạng lưới nội sinh chất, phức hệ Golgi, ribosome, ty thể, lạp thể,... Nếu loại bỏ các bào quan thì còn lại khối tế bào chất không có cấu trúc - gọi là chất nền hay thể trong suốt (cytosol). Chất nền chiếm gần một nửa khối lượng của tế bào. Chất nền có nhiều nước, chiếm khoảng 85%. Sau nước, protein là thành phần chủ yếu. Chất nền chứa đựng một số lượng protein sợi xếp lại thành bộ khung của tế bào. Trong chất nền có hàng nghìn enzyme và chứa đầy ribosome để tổng hợp protein. Gần một nửa enzyme được tổng hợp ừên các ribosome là các protein của chất nền. Do đó, nên xem chất nền là một khối gel có tổ chức cao hom là một dung dịch chứa enzyme. 29 Ngoài protein ra, ương chất nền còn có các loại RNA nhu mRNA, tRNA chiếm 10% RNA của tế bào. Trong chất nền còn cổ các chất như: lipid, glucid, amino acid, nucleoside, nucleotide và các ion. Thinh thoảng có các hạt dầu và hạt glycogen với sổ lượng thay đồi và có thể mang từ vùng này qua vùng khác tùy hoạt tính của tế bào. Chất nền giữ nhiều chức năng quan trọng như: Là nơi thực hiện các phàn ứng trao đổi chất của tế bào, là nơi gặp nhau cùa chuỗi phản ứng trao đổi chất. Sự biến đổi trạng thái vật lý của chất nền có thể ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào. Là nơi thực hiện một số quá trình điều hòa hoạt động của các chất. Là nơi chứa các vật liệu dùng cho các phản ứng tổng hợp các đại phân tử sinh học như các glucid, lipid, glycogen. Mọi hoạt động sống cùa tế bào đều xảy ra trong tế bào chất và do các bào quan riêng biệt phụ trách và được phối hợp điều hòa một cách nhịp nhàng. Mạng lưới nội sinh chất (endoplasma reticulum) Mạng lưới nội sinh chất được phát hiện bằng kính hiển vi điện tử. Mạng lưới nội sinh chất có ở cả tế bào động vật và thục vật. Nó là một hệ thống các túi nhỏ, hoặc túi dẹt song song và nối thông nhau hình thành một mạng lưới 3 chiều. Mồi ống hoặc túi đều được bọc bởi một cái màng lipoprotein có độ dày khoảng 75Ả (tương tự màng tể bào), v ề phía ngoài mạng lưới nội sinh chất thông với môi trường ngoài, và về phía trong nỏ thông với khoảng quanh nhân. Lòng mạng lưới nội sinh chất thường hẹp có đường kính từ 250Ả - 500Ả. Mặt ngoài có thể có ribosome bám vào, hoặc có thê nhẫn không có ribosome bám. Vì vậy, người ta phân biệt 2 loại: mạng lưới nội sinh chất có hạt và mạng lưới nội sinh chất không hạt hay mạng lưới nội sinh chát nhằn. Chức năng của mạng lưới nội sinh chất là: Tập trung và cô đặc một số chất từ ngoàitế bào vào hay ở trong tế bào; Những protein do 30 ribosome bám ở ngoài màng tổng hợp được đưa vào lòng ống; Tham gia tổng hợp các chất; Vận chuyển và phân phối các chất. Ty thể Trong tế bào chất còn chứa ty thể. Chúng có hình que, sợi hoặc hình tròn. Tại ty thể xảy ra quá trình ôxi hóa khử rất mạnh trong chu trình trao đổi chất nhằm tích lũy và sản sinh các hợp chất có năng lượng cao như ATP cần thiết cho quá trình sống cùa tế bào. Ngoài ra, ty thể còn có khả năng tổng hợp các chất chủ yếu, cần thiết cho hoạt động của ty thể như các enzyme hô hấp, protein... Kích thước cùa chúng cũng rất thay đổi, ờ đa số tế bào ty thể có chiều dày tương đối cố định, khoảng 0,5[im, chiều dài thì thay đổi và tối đa là lụm. Số lượng ty thể trong các loại tế bào khác nhau thì khác nhau và ờ các trạng thái sinh lý khác nhau cũng khác nhau. Ty thể được cấu tạo bởi 2 lớp màng giống màng tế bào: Màng ngoài: dày 60Â, bảo đảm tính thấm cùa ty thể. Màng trong: dày 60Ả. Từ màng trong hình thành nên các mấu lồi ăn sâu vào trong xoang ty thể gọi là tấm hình răng lược. Màng trong chia xoang ty thể thành ĩ xoang: xoang ngoài nằm giữa màng trong và màng ngoài rộng khoảng 60 - 80Ả và thông với xoang của các vách răng lược; xoang trong được giới hạn bởi màng trong và chứa đầy chất nền cùa ty thể gọi là matrix. Lạp thể Lạp thể là những bào quan đặc trưng cho tế bào thực vật, có liên quan đến quá trình sinh tổng hợp các hydratcacbon đặc trưng cho sự trao đổi chất cùa thực vật. Người ta thường phân biệt hai nhóm lạp thể lớn: - Nhóm thứ Ì: bạch lạp - là lạp thể không có màu. - Nhóm thứ 2: sắc lạp - là lạp thể có chứa sắc tố. 31 Lục lạp là loại lạp thể phổ biến nhất và có vai trò quan trọng đác biệt do chúng thực hiện chức năng quang hợp, chuyên năng lượng ánh sáng mặt ười sang năng lượng hóa học, cung cấp cho toàn bộ các cơ thể sống trên Trái Đất. Hình dạng, kích thước và sự phân bố là khác nhau ờ các loại tế bào, các loài cây, trong ứong phạm vi một mô thì tương đối ổn định. Ví dụ: tế bào lá thực vật bậc cao chứa nhiều lục lạp hình cầu, hình trứng hoặc hình đĩa. Tế bào tảo thường chì chứa một lục lạp hình lưới, hình dải xoắn hoặc hình sao dẹp. Số lượng lục lạp ương tế bào của các mô khác nhau là khác nhau, nhưng đặc trưng cho loài. Khi số lượng thiếu thì lục lạp cỏ khả năng phân chia và khi thừa thì một số lục lạp bị thoái ho i Đây là một cơ chế bào đảm ổn định số lượng lục lạp đặc trưng. Te bào lá của thực vật bậc cao thường có 20-40 lục lạp, và rất hiếm trường hợp gặp loại tế bào chi chứa Ì hoặc 2 lục lạp. Kích thước lục lạp có thể thay đổi khá lớn, đặc trưng cho các loại tế bào và các loài. Trong tế bào thực vật bậc cao, lục lạp có đường kính trung bình 4-6 um. Trong tế bào của sinh vật cùng loài, kích thước lục lạp không thay đổi, nhưng có sự sai khác liên quan tới bội số nhiễm sắc thể. Ví dụ: tế bào đa bội có lục lạp to hơn so với lục lạp của tế bào đơn bội cùng loài. Những cây mọc trong râm có lục lạp lớn hơn và chứa nhiều chlorophile hơn so với cây được chiếu sáng thường xuyên. Lục lạp thường phân bố đều trong tế bào chất, nhưng có khi tập trung ờ gần nhân hoặc ờ vùng ngoại biên gần thành tế bào. Đặc tính phân bố của lục lạp trong tế bào còn phụ thuộc vào điều kiện ngoại cành, như cường độ chiếu sáng. Người ta xác định Ì mm2 của lá cây Ricinus communis có tới 400.000 lục lạp. Lục lạp được cấu tạo bời hai lớp màng lipoprotein là màng ngoài và màng trong. Giữa hai màng này là khe gian màng. Khác 32 với ty thể, màng lục lạp là màng trơn, không có mào. Phần dịch hay chất nền được giới hạn bởi màng ừong. Thành phần hoa học của lục lạp chủ yếu gồm: Protein chiếm khoảng 35 - 55%, trong đó có khoảng 80% dạng không hoa tan và liên kết với lipid thành lipoprotein, dạng hoà tan có thể là các enzyme. Lipid chiếm khoảng 20 - 30% gồm mỡ trung tính, steroid, phospholipid. Chlorophile, các carotinoid như carotin và xantophin. Glucid như tinh bột, đường. Các axit nucleic: RNA từ 2 - 4%, DNA từ 0,2 - 0,5%. Thành phần vô cơ: Fe, Cu, Mn, Zn, ngoài ra còn có cytocrom, vitamin K, E... ATP, NAD. Lục lạp thực hiện quá trình quang hợp. Nhờ chlorophile chứa trong lục lạp mà cây xanh hấp thụ năng lượng ánh sáng mặt ười và biến chúng thành năng lượng hoá học trong ATP để tổng hợp các chất hữu cơ. Quá trình quang hợp được tổng quát bằng sơ đồ sau: năng lượng ánh sáng 6C02 + 6H2 0 —— — • C6H1 2 06 + 0 2 Chlorophill Ribosome Ribosome là những khối hình càu hay hình trứng có đường kính 150Ả. Mỗi ribosome được tạo thành bởi 2 đơn vị nhỏ gọi là hai tiểu phần có độ lắng và kích thước khác nhau. Hai tiểu phần gắn vào nhau nhờ ion Mg 2 +. Bằng phương pháp phân tích hoa học, người ta xác định được thành phần hoa học của ribosome. Mỗi ribosome chứa: rRNA, các enzyme, các protein cấu trúc và nước. Ribosome 70S chứa 50% nước; rRNA chiếm 63% trọng lượng khô 33 protein chiếm 37% trọng lượng khô. Ribosome 80S chúa 80% nước; rRNA chiếm 50% trọng lượng khô và protein chiếm 50% ừọng lượng khô. Ngoài những thành phần nói ở trên, trong ribosome còn có lon Mg2 +, Ca 2 +, các enzyme như ribonuclease, deoxyribonuclease ở dạng không hoạt tính, leuxinaminopeptidase, (3-galactosidase, các enzyme phosphatase base và acid. Chức năng chủ yếu cùa ribosome là nơi diễn ra quá trình sinh tổng hợp protein. Chính trên ribosome các amino acid đã được hoạt hoa tập hợp lại và được lắp ráp đúng vị trí vào mạch polypeptide theo đúng mật mã di truyền ở trong mạch mRNA. Phức hệ Golgỉ Phức hệ Golgi là một cấu trúc phức tạp, rất thay đổi, liên hệ trực tiếp với mạng lưới nội chất, thường có dạng hình cầu, hình liềm, hình que,... còn gọi là thể Golgi. Phức hệ Golgi của tế bào thực vật gồm một số ít các bể chửa dẹp, ngắn và một sổ ít các không bào bé. Phức hệ Golgi có thể định khu cạnh nhân, trung thể, hoặc gần không bào co rút. Tuy nhiên, sự định khu của phức hệ Golgi có thể thay đổi tuy theo hoạt tính chức năng của tế bào. Nghiên cứu hóa sinh và hóa tế bào cho thấy trong thành phần phức hệ Golgi chứa phospholipid và protein với hàm lượng bằng nhau. Trong phức hệ Golgi có các eiưyme như phosphatase kiềm, phosphatase acid, nucleozitdiphosphatase, adenozintriphosphatase, inozindi- và triphosphotase, glicozintransferase, sulfotransferase,... Trong phức hệ Golgi còn có các polysaccaride. Vai trò của phức hệ Golgi liên quan tới quá trình tiết của tế bào. Phức hệ Golgi tham gia vào dây chuyền sản xuất nội bào như phân xưởng tập trung và "đóng gói" qua đó chế biến vật liệu thành các hạt chất tiết. Phức hệ Golgi ờ tế bào thực vật tham gia tổng hợp các polysaccaride. Nghiên cứu tế bào của một số loài tảo ở giai đoạn đang phân hóa, tích cực tạo vách tế bào cho thấy trong phúc hệ Golgi tập trung phần lớn polysaccaride. 34 1.3. Phân bào nguyên nhiễm (Nguyên phân - Mỉtosis) Phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân) còn gọi là phân bào có tơ, là dạng phân bào phổ biến cho tất cả các dạng tế bào (tế bào sinh dưỡng, tế bào sinh dục 2n), các tế bào con được tạo thành giữ nguyên bộ nhiễm sắc thể như tế bào mẹ (2n). Nhờ quá trình nguyên phân mà các sinh vật sinh trưởng và phát triển được. Trong quá trình phân bào, tế bào chất và các hợp phần của nó được phân chia cho các tế bào con với số lượng bằng nhau, còn nhân làm nhiệm vụ bảo vệ các chương trình di truyền, điều khiển mọi hoạt động sống của tế bào, quá trình phát triển của cá thể và di truyền các dấu hiệu cho thế hệ sau. Vì vậy, các yếu tố của nhân đòi hỏi phải có sự phân chia chính xác và quá trình phân bào nguyên phân đã giúp thực hiện việc phân chia chính xác, đều nhau các yếu tố nhân cho tế bào con. Hình 1.3. Phân bào nguyên nhiễm ở thực vật A. ảnh chụp; B. sơ đồ mô phỏng 35 Nguyên phân được chia thành 4 kỳ: Kỳ trước (Prophase): Chất nhiễm sắc ở gian kỳ bao gồm các sợi nhiễm sắc thể đà được nhân đôi qua pha s, trở nên xoắn và cô đặc lại, hình thành các nhiễm sắc thể thấy rõ dưới kính hiển vi, mà số lượng, hình thái là đặc trưng cho loài. Mỗi một nhiễm sắc thể gồm cromatit (2 nhiễm sắc tử chị em-sister chromatid) được dính với nhau ở tâm động (centromere). Màng nhân và hạch nhân cỏ nhiều thay đổi. Hạch nhân giảm, thể tích, phân rã và biển mất, màng nhân đứt ra thành nhiều đoạn và biến thành các bỏng không bào bé phân tán trong tế bào chất. Các tế bào thực vật khác với tế bào động vật là không có trung thể. ở tế bào thực vật bậc cao không quan sát thấy trung tử, nhưng ở vùng cạnh nhân vẫn có vùng đậm đặc tương tự vùng quan trung tử và vai trò của chúng là hoạt hoa sự tạo thành tubulin hình thành thoi phân bào. Kỳ giữa (Metaphase): Nhiễm sắc thể xoắn, cô đặc và co ngấn tối đa, mỗi nhiễm sắc thể đính với sợi tơ qua tâm động, và do tác động cùa các sợi tâm động các nhiễm sắc thể sắp xếp cùng ữên mặt phang xích đạo tạo nên tấm trung kỳ. Tấm trung kỳ nằm thẳng góc với trục dọc của thoi. Hai tâm động đính với các sợi tâm động ờ cả 2 phía đối mặt với sao. Kỳ sau (Anaphase): Đặc điểm của kỳ sau là sự tách đôi của 2 nhiễm sắc tử chị em khỏi nhau và trở thành nhiễm sắc thể con độc lập. Mỗi nhiễm sắc thể con mang một tâm động riêng đính với sợi tâm động phía đổi mặt với sao. Tất cả các nhiễm sắc thể con cùng tách khỏi nhau và cùng thời gian di chuyển về 2 cực nhờ sự co ngắn cùa sợi tâm động (do sự giải trùng hợp cùa vi ống tubulin) phối hợp với sự kéo dài cùa các sợi cực và hẹp lại của thoi. Sự phân chia tế bào chất thường bắt đầu ở kỳ này. Kỳ cuối (Telophase): Trong kỳ này các nhiễm sắc thể con đã di chuyền tới hai cực, dãn xoắn, dài ra và biến dạng trờ thành chất 36 nhiễm sắc. Thoi phân bào biến mất, đồng thời hình thành màng nhân bao quanh chất nhiễm sắc. Hạch nhân được tái tạo. Hình thành 2 nhân con trong khối tế bào chất chung. Sự phân tế bào chất ờ tế bào thực vật được bắt đầu bằng sự xuất hiện Ì vách ngang ở vùng trung tâm xích đạo, vách ngang phát triển dần vào vùng ngoại vi cho đến khi liên kết với vách bao tế bào và như vậy phân tách tế bào chất thành 2 nửa chứa nhân con. Trên vách ngang phân tách 2 tế bào con phát triển hệ thống cầu nối tế bào chất tạo thành cấu trúc plasmodesma đặc trưng cho tế bào thực vật. Nguyên phân tạo ra 2 tế bào con có số lượng và chất lượng NST như tế bào mẹ. Phân bào nguyên nhiễm là phương thức sinh trưởng của các mô, cơ quan ừong cơ thể đa bào. Phân bào nguyên nhiễm là cơ sở tế bào cùa phương thức sinh sản sinh dường ở thực vật. Phân bào nguyên nhiễm là phương thức sinh sản của tế bào cũng như cơ thể đơn bào qua đó tế bào mẹ truyền thông tin di truyền cho các thế hệ tế bào con, bảo tồn và giữ nguyên số lượng nhiễm sắc thể qua các thế hệ. 1.4. Phân bào giảm nhiễm (Giảm phân - Meiosis) Phân bào giảm nhiễm là quá trình phân bào chuyên biệt trong đó số lượng NST giảm một nưa nhưng đủ bộ, xảy ra ở tế bào sinh dục chín. Giảm phân trài qua 2 lần phân chia nối tiếp nhau là giảm phân Ì và giảm phân 2. Giảm phân ì Kỳ trước ì (Prophase ì): Các sự kiện xảy ra giống kỳ trước của nguyên phân chi khác căn bàn ờ chỗ các NST tương đồng cùng chuyển động với nhau và nằm kề sóng đôi nhau trong quá trình bắt cặp hay tiếp hợp (synapsis). Các sợi nhiễm sắc chị em được gắn nhẹ nhau nhờ một cặp protein trục (protein axe). Các protein trục 37 của 2 NST tương đồng nối nhau bời cầu protein để tạo nên phúc hợp bắt cặp (synaptonemal complex). Cặp NST tương đồng lúc này tạo thành đôi gọi là lưỡng trị (bivalent). Các NST sau khi tiếp hợp xong bắt đầu tách ra, có thể quan sát thấy các đoạn đan chéo nhau gọi là hình chéo (chiasma). Các hình chéo giữa các chromatid có thể xảy ra trao đồi chéo dính nhau. prophase I metaphase I anaphase I lelophase I prophase li metaphase li anaphase li (elophase li Hình 1.4. Phân bào giảm nhiễm Kỳ giữa ì (Metaphase ì): Các nhiễm sắc thể kép (nhiễm sắc thê chị em) tập trung thành nhóm tứ tử ứên mặt phang xích đạo của thoi vô sắc. Kỳ sau ì (Anaphase ì): sự phân ly của nhiễm sắc thể kép về hai cực tế bào. Kỳ cuối Ị (Teỉophase ì): sự phân tế bào chất để hoàn thành phân chia ì tạo ra 2 tế bào đom bội (n kép). Sự giảm nhiễm từ 2n kép 38 (với ý nghĩa là 4 nhiễm sắc tử của 2 nhiễm sắc thể tương đồng) thành n kép (với ý nghĩa là 2 nhiễm sắc thể chị em của Ì nhiễm sắc thể bố hoặc mẹ). I » 3 « 113 4 ì > 9 b (W.nN"oJ í CJ-,m »j.írM Ị 04we*4M ">« I«:ru'-I.