Khảo sát nguồn gen duy trì và phục hồi hữu dục một số dạng CMS ngô bằng chỉ thị phân tử DNA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI









NGUYỄN XUÂN CAO

KHẢO SÁT NGUỒN GEN DUY TRÌ VÀ PHỤC HỒI HỮU DỤC
MỘT SỐ DẠNG CMS NGÔ BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ DNA



LUẬN VĂN THẠC SĨ







HÀ NỘI, NĂM 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO
TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI








NGUYỄN XUÂN CAO

KHẢO SÁT NGUỒN GEN DUY TRÌ VÀ PHỤC HỒI HỮU DỤC
MỘT SỐ DẠNG CMS NGÔ BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ DNA



Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ SINH HỌC
Mã số : 60.42.02.01


Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. PHAN HỮU TÔN




HÀ NỘI, NĂM 2014

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page i

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan, số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung
thực và chưa ñược sử dụng ñể bảo vệ một học vị nào.
Tôi xin cam ñoan, mọi sự giúp ñỡ cho việc thực hiện luận văn này ñã
ñược cám ơn và các thông tin trích dẫn ñều ñã ñược chỉ rõ nguồn gốc.


Tác giả luận văn


Nguyễn Xuân Cao



Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page ii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới:

PGS.TS. Phan Hữu Tôn, Trưởng bộ môn Sinh học phân tử và Công nghệ
sinh học Ứng dụng, khoa CNSH, người thầy ñã tận tình giúp ñỡ, hướng dẫn, tạo
mọi ñiều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện ñề tài và trong quá
trình hoàn chỉnh luận văn.
Tập thể các thầy cô giáo khoa Công nghệ sinh học, ñặc biệt là các thầy cô
giáo thuộc bộ môn Sinh học phân tử và Công nghệ sinh học Ứng dụng ñã nhiệt

tình giúp ñỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân trong gia ñình, bạn bè và ñồng
nghiệp ñã giúp ñỡ, ñộng viên tôi trong suốt thời gian tôi làm luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 12 tháng 06 năm 2014
Tác giả luận văn


Nguyễn Xuân Cao

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ðOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC BẢNG vi
DANH MỤC HÌNH vii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT viii
1. MỞ ðẦU 1
1.1. Tính cấp thiết của ñề tài 1
1.2. Mục ñích yêu cầu của ñề tài 2
1.2.1. Mục ñích 2
1.2.2. Yêu cầu 2
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài 2
2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3
2.1. Giới thiệu chung về ngô 3
2.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng ngô lai trên thế giới và Việt Nam 3
2.2.1. Tình hình sản xuất ngô lai thế giới 3

2.2.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam 7
2.3. Hiện tượng ưu thế lai 9
2.3.1. Khái niệm 9
2.3.2. Cơ sở khoa học của ưu thế lai 9
2.4. Hệ thống ngô lai ba dòng 10
2.4.1. Cơ chế bất dục ñực tế bào chất 10
2.4.2. Tầm quan trọng của bất dục ñực tế bào chất 13
2.5. Hệ thống ngô lai ba dòng sử dụng bất ñực tế bào chất 14
2.5.1. Khái niệm về hệ thống ngô lai ba dòng 14
2.5.2. Dòng bất dục ñực tế bào chất (CMS) 14
2.5.3. Dòng duy trì bất dục 17
2.5.4. Dòng phục hồi hữu dục 18

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page iv

2.6. Tình hình nghiên cứu và sử dụng giống ngô lai sử dụng bất dục ñực tế bào
chất trên thế giới và Việt Nam 20
2.7. Tình hình nguyên cứu, ứng dụng và ưu ñiểm của chỉ thị phân tử trong chọn
giống ngô lai 21
2.7.1. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống ngô
lai ba dòng có sử dụng bất dục tế bào chất 21
2.7.2. Ưu ñiểm của việc sử dụng chỉ thị phân tử 22
3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24
3.1. Vật liệu nghiên cứu, thời gian và ñịa ñiểm nghiên cứu 24
3.1.1. Vật liệu nghiên cứu 24
3.1.2. Thời gian nghiên cứu: Tháng 8/2013 ñến tháng 5/2014 24
3.1.3. ðịa ñiểm nghiên cứu 24
3.2. Nội dung nghiên cứu 25
3.3. Phương pháp nghiên cứu 25

3.3.1. Bố trí thí nghiệm 25
3.3.2. Theo dõi một số chỉ tiêu nông sinh học của các dòng CMS, các dòng ngô tự
phối và F1 của chúng 26
3.3.3. Lai cưỡng bức các dòng CMS với các dòng ngô tự phối 27
3.3.4. ðánh giá khả năng bất dục, hữu dục các tổ hợp lai F1 27
3.3.5. Xác ñịnh khả năng chứa gen duy trì và phục hồi hữu dục cho các dạng CMS
của các dòng ngô tự phối bằng các chỉ thị phân tử DNA 28
3.3.6. Phương pháp ñiện di phát hiện sản phẩm PCR 32
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33
4.1. Kiểm tra dạng CMS bằng chỉ thị phân tử DNA 33
4.2. Lai thử tạo vật liệu khởi ñầu 34
4.3. Xác ñịnh dòng duy trì và phục hồi hữu dục qua ñánh giá khả năng bất dục,
hữu dục các tổ hợp lai F1 35
4.3.1. ðánh giá khả năng bất dục, hữu dục của hạt phấn bằng cách nhuộm I-KI 1% 35
4.3.2. Xác ñịnh dòng duy trì và phục hồi hữu dục bằng phương pháp quan sát sự
nảy mầm hạt phấn trên môi trường thạch 38

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page v

4.4. Một số ñặc ñiểm nông sinh học, năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của
các dòng CMS, duy trì, phục hồi và các tổ hợp lai F1 hữu dục 42
4.4.1. Một số ñặc ñiểm nông sinh học, năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của
dòng CMS 42
4.4.2. Một số ñặc ñiểm nông sinh học, năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của
dòng duy trì 44
4.4.3. Một số ñặc ñiểm nông sinh học, năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của
dòng phục hồi 47
4.4.4. Một số ñặc ñiểm nông sinh học, năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của
các tổ hợp lai F1 hữu dục 51

4.5. Kết quả tiến hành phản ứng PCR 54
4.5.1. Kiểm tra ñộ nguyên vẹn và tinh sạch của DNA tổng số 54
4.5.2. Kết quả xác ñịnh gen rf3 duy trì cho dạng CMS-S bằng cặp mồi CAPSE3P1 và
sử dụng ezyme cắt giới hạn MseI 55
4.5.3. Kết quả xác ñịnh gen rf4 duy trì cho dạng CMS-C bằng cặp mồi b0329-13.1 55
4.5.4. Tiến hành phản ứng PCR bằng cặp mồi 76755P2 phát hiện gen Rf3 phục hồi
hữu dục cho dạng CMS-S 56
4.5.5. Tiến hành phản ứng PCR bằng mồi b0440-16.2 nhằm phát hiện gen Rf4 phục
hồi hữu dục hạt phấn cho dạng CMS-C 57
5. KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 62
5.1. Kết luận 62
5.2. ðề nghị 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO 64
PHỤ LỤC 67


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1. Diện tích, năng suất, sản lượng ngô thế giới giai ñoạn 2004-2008 4
Bảng 2.2. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô một số nước trên thế giới giai
ñoạn 2006-2009 5
Bảng 2.3. Tình hình sản xuất ngô Việt Nam giai ñoạn 2000-2013 và dự ñoán 2014 8
Bảng 2.4. Sự tương tác giữa tế bào chất và nhân 12
Bảng 4.1. Các tổ hợp F1 bất dục hạt phấn khi nhuộm I-KI 1% 36
Bảng 4.2. Các tổ hợp F1 hữu dục hạt phấn khi nhuộm I-KI 1% 37
Bảng 4.3. Kết quả nảy mầm hạt phấn của các tổ hợp F1 bất dục hạt phấn khi nuôi
cấy trên môi trường thạch 40

Bảng 4.4. Kết quả nảy mầm hạt phấn của các tổ hợp F1 hữu dục hạt phấn nuôi cấy
trên môi trường thạch 41
Bảng 4.5. Một số ñặc ñiểm nông sinh học của các dòng CMS 43
Bảng 4.6. Năng suất và yếu tố cấu thành năng suất của dòng CMS 44
Bảng 4.7. Một số ñặc ñiểm nông sinh học của các dòng duy trì 45
Bảng 4.8. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các dòng duy trì 46
Bảng 4.9. Một số ñặc ñiểm nông sinh học của dòng phục hồi 48
Bảng 4.10. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của dòng phục hồi 50
Bảng 4.11. Một số ñặc ñiểm nông sinh học của các tổ hợp F1 hữu dục 51
Bảng 4.12. Năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất của các tổ hợp lai F1 53
Bảng 4.13. Kết quả phát hiện gen duy trì rf3, rf4 và gen phục hồi Rf3, Rf4 bằng PCR 59

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 4.1. Kích thước ñoạn băng DNA khi nhân bằng các mồi phát hiện
dạng CMS 33
Hình 4.2. Soi hạt phấn dưới kính hiển vi khi nhuộm với I-KI 1% 35
Hình 4.3. Sự phát triển của hạt phấn khi nuôi cấy trên môi trường thạch 39
Hình 4.4. Dạng cây và bắp của dòng CMS 43
Hình 4.5. Kết quả ñiện di kiểm tra ñộ nguyên vẹn và tinh sạch của 1 số
mẫu DNA 54
Hình 4.6. Ảnh ñiện ñi sản phẩm PCR sử dụng cặp mồi CAPSE3P1 sau khi cắt
bằng enzyme MseI 55
Hình 4.7. Ảnh ñiện ñi sản phẩm PCR phát hiện gen rf4 sử dụng cặp mồi
b0329-13.1 56
Hình 4.8. Ảnh ñiện di sản phẩm PCR sử dụng cặp mồi 76755p2 phát hiện
gen Rf3 (M: 1kb) 56

Hình 4.9. Ảnh ñiện ñi sản phẩm cắt với enzyme MseI phát hiện gen Rf3 57
Hình 4.10. Ảnh ñiện di sản phẩm PCR sử dụng cặp mồi b0440-16.2 phát hiện
gen Rf4 phục hồi cho dạng CMS-C 58


Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page viii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

CMS

Cytoplasmic Male Sterility

CMS- C

Cytoplasmic Male Sterility Charrua

CMS-S

Cytoplasmic Male Sterility Texas

CMS- N

Cytoplasmic Male Sterility Normal

CS

Cộng sự

DNA

Deoxyribonucleic acid

dNTP

Deoxyribonucleotit triphotphat

EDTA

Ethylene Diamin Tetraaxetic acid

Kb

Kilobase

M

Marker

PCR

Polymerase Chain Reaction

(Phản ứng chuỗi Polymerase)

TE

Tris – EDTA

Tris

Trioxymetylaminometan

TAE

Tris Hcl – Acetate – EDTA



Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 1

1. MỞ ðẦU

1.1. Tính cấp thiết của ñề tài
Ngô là một loại ngũ cốc quan trọng, ñứng thứ ba sau lúa mì và lúa gạo. ðây là
cây lương thực giàu dinh dưỡng, góp phần nuôi sống gần 1/3 dân số trên toàn thế giới.
Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực ñứng hàng thứ 2 sau lúa gạo. Trong những năm
gần ñây, diện tích gieo trồng, năng suất và sản lượng ngô tăng mạnh. Tuy nhiên, số
lượng các giống ngô nước ta vẫn còn ít, ña số các giống gieo trồng hiện nay là các
giống ngô lai có nguồn gốc nước ngoài, giá thành rất cao.
Sản xuất hạt giống ngô lai chủ yếu bằng phương pháp lai cưỡng ép. Phương
pháp lai này thì cây mẹ sẽ ñược khử ñực hoặc là cây mẹ thuộc dạng CMS (bất dục ñực
tế bào chất). ðối với phương pháp khử ñực cây mẹ thì tốn thời gian, công sức, hiệu
quả không cao. Sử dụng bất dục ñực tế bào chất ñể sản xuất giống ngô lai (ngô lai ba
dòng), không phải rút cờ dòng mẹ sẽ giảm nhẹ công lao ñộng, hạ giá thành sản xuất
hạt giống. Trong công tác chọn tạo giống ngô lai ba dòng các nhà chọn tạo giống
thường quan tâm ñến bất dục ñực dạng CMS-T, CMS-S, CMS-C (Liu et al., 2002) do
có tính bất dục ổn ñịnh.

Hiện nay, có bốn dạng bất dục ñực tế bào chất là CMS-T (Taxas), CMS-C
(Charrua), CMS-S (USDA), CMS-O (Parvez A et al., 2007). Tương ứng mỗi dòng bất
dục ñực ñều có gen duy trì và phục hồi tương ứng. Hiện nay, người ta ñã phát hiện ñược
các gen phục hồi khác nhau cho các dạng CMS. Trong ñó gen Rf1, Rf2, Rf8, Rf* phục
hồi cho dạng CMS-T; gen Rf3, Rf9 phục hồi cho dạng CMS-S và gen Rf4, Rf5, Rf6 phục
hồi cho dạng CMS-C; dạng CMS-O hiện nay vẫn chưa phát hiện ñược xác ñịnh.
Ngày nay, chỉ thị phân tử ñược sử dụng rộng rãi như một công cụ hữu hiệu
trong nghiên cứu chọn tạo các giống mới. Việc phát hiện ra các dòng duy trì và phục
hồi hữu dục cho một số dạng CMS có ý nghĩa rất quan trọng trong chọn tạo giống ngô
lai ba dòng mới. Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Phan Hữu Tôn, chúng tôi tiến hành
ñề tài: “Khảo sát nguồn gen duy trì và phục hồi hữu dục một số dạng CMS ngô
bằng chỉ thị phân tử DNA”.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 2

1.2. Mục ñích yêu cầu của ñề tài
1.2.1. Mục ñích
Tìm ra ñược một số dòng ngô tự phối có chứa gen duy trì bất dục, gen phục hồi
hữu dục cho một số dạng CMS. ðánh giá một sổ tổ hợp lai F1 hữu dục giữa các dòng
phục hồi và một số dòng CMS.
1.2.2. Yêu cầu
- Tiến hành lai các dòng bất dục ñực với các dòng ngô tự phối trong tập ñoàn ñể tạo F1
làm nguồn vật liệu.
- ðánh giá tính bất dục và hữu dục của các tổ hợp lai F1 bằng phương pháp soi hạt
phấn khi nhuộm màu với I-KI 1%, ñánh giá khả năng nảy mầm của hạt phấn trên môi
trường thạch. Qua ñó tìm ra các dòng duy trì và phục hồi tốt cho các dạng CMS.
- ðánh giá ñặc ñiểm nông sinh học các dòng CMS, các dòng ngô tự phối và F1 hữu
dục của chúng.
- Chiết tách DNA và phát hiện gen duy trì và phục hồi trong tập ñoàn các dòng ngô tự

phối bằng chỉ thị phân tử DNA.
1.3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ñề tài
- Việc tìm ra ñược các dòng duy trì và phục hồi hữu dục có ý nghĩa lớn trong việc
chọn tạo giống ngô lai ba dòng mới. Kết quả nghiên cứu của ñề tài sẽ góp phần ñịnh
hướng cho việc tạo ra các dòng CMS mới, các tổ hợp lai F1 có năng suất cao, chất
lượng và kháng sâu bệnh tốt.
- Bổ sung tài liệu nghiên cứu chọn tạo giống bằng chỉ thị phân tử, cũng như áp dụng
công nghệ sinh học vào trong chọn tạo giống mới, ñặc biệt là ngô lai ba dòng.



Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 3

2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1. Giới thiệu chung về ngô
Cây ngô (Zea may.L) thuộc họ Zea, phân họ ngô (Maydeae), họ phụ hoà thảo
(Phanicoideae), họ hoà thảo (Grmaineae), lớp một lá mầm (Cosmobionia) và có bộ
nhiễm sắc thể 2n=20. Cây ngô là cây hàng năm với hệ thống rễ chùm phát triển, là loài
cây giao phấn có hoa ñơn tính cùng gốc.
Với những nghiên cứu về nguồn gốc cây trồng Vavilov (1926) ñã chứng minh
miền Trung Nam Mehico là trung tâm phát sinh thứ nhất và vùng núi Andet thuộc Peru là
trung tâm phát sinh thứ hai của cây ngô. Nhận ñịnh này của ông ñã ñược nhiều nhà khoa
học tán thành. ðặc biệt, Harsberger (1893) ñã kết luận ngô bắt nguồn từ một cây hoang
dại từ miền Trung Mehico. Cũng có giả thuyết khác cho rằng ngô sinh ra từ quá trình lai
ghép giữa ngô ñã thuần hóa nhỏ (dạng thay ñổi không ñáng kể của ngô dại) với cỏ ngô
thuộc ñoạn Luxuriantes. Song ñiều quan trọng nhất nó ñã hình thành vô số loài phụ, các
thứ và nguồn dị hợp thể của cây ngô, các dạng cây và biến dạng của chúng ñã tạo cho
nhân loại một loài ngũ cốc có giá trị ñứng cạnh lúa mì và lúa nước.

2.2.
Tình hình nghiên cứu và sử dụng ngô lai trên thế giới và Việt Nam

2.2.1. Tình hình sản xuất ngô lai thế giới
Ngành sản xuất ngô thế giới tăng liên tục từ ñầu thế kỉ 20 ñến nay, nhất là trong
hơn 40 năm gần ñây, ngô là cây trồng có tốc ñộ tăng trưởng về năng suất cao nhất
trong các cây lương thực chủ yếu. Trong nhiều thập kỷ qua các nhà khoa học trên thế
giới ñã thành công trong nghiên cứu, khai thác tiềm năng của cây ngô. Chính vì vậy
ngô phát triển không ngừng về năng suất, diện tích và sản lượng. Theo thống kê năm
2007, bảng 2.1 thể hiện diện tích, năng suất, sản lượng ngô thế giới giai ñoạn 2004-
2009.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 4

Bảng 2.1. Diện tích, năng suất, sản lượng ngô thế giới giai ñoạn 2004-2008
Năm
Diện
tích
Năng suất Sản lượng
2004/05

145,0 4,9 714,8
2005/06

145,6 4,8 696,3
2006/07

148,6 4,7 704,2
2007/08

157,0 4,9 766,2
2008/09

158,5 5,0 810,2
(Diện tích: Triệu ha, Năng suất:Tấn/ha, Sản lượng: Triệu tấn)
Vào năm 1961, năm suất ngô trung bình của thế giới chưa ñạt ñến 20 tạ/ha, năm
2004 dã ñạt 49,9 tạ/ha. Năm 2007, diện tích ngô ñã ñạt 157,0 triệu ha, năng suất 4,9
tấn/ha và sản lượng ñạt 766,2 triệu tấn. Năm 2008 diện tích ngô ñã ñạt 158,5 triệu ha,
năng suất 5,0 tấn/ha và sản lượng ñạt 810,2 triệu tấn. ðiều này ñã chứng minh ngô là
cây trồng có tốc ñộ tăng trưởng về năng suất cao nhất trong các cây lương thực chủ
yếu ñồng thời thể hiện vị trí quan trọng của cây ngô trong nền kinh tế thế giới.
Có ñược kết quả như vậy trước hết là nhờ việc ứng dụng rộng rãi thuyết ưu thế
lai trong chọn tạo giống cây trồng, mà ngô ñược ñánh giá là cây thành công nhất trong
việc ứng dụng ưu thế lai trong Nông nghiệp. Tiếp ñó là không ngừng cải thiện các biện
pháp kỹ thuật canh tác như: tăng mật ñộ, làm ñất tối thiểu, bón phân hợp lý ñiều này
cũng góp một phần trong việc tăng năng suất ngô.
ðặc biệt trong thời gian gần ñây, cùng với việc ứng dụng thành công hiện tượng
ưu thế lai vào chọn tạo giống theo phương pháp truyền thống thì việc ứng dụng công nghệ
sinh học trong chọn rạo giống cây trồng cũng ñược triển khai và ñạt ñược những kết quả
quan trọng như: sử dụng chỉ thị phân tích ña dạng di truyền phân nhóm ưu thế lai, tạo
giống chịu hạn, chuyển gen chống chịu vào các dòng thuần có khả năng kết hợp cao ðó
là cơ sở tạo ra những giống tốt góp phần tăng nhanh năng suất ngô trên thế giới.
Việc ứng dụng công nghệ gen ñược phát triển mạnh từ ñầu những năm 90 và
hiện nay vẫn ñang tăng mạnh. Năm 2004 có 81 triệu ha cây trồng biến ñổi gen, trong

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 5

ñó ngô kháng sâu ñục thân và kháng thuốc trừ cỏ có 19,3 triệu ha (chiếm 24%). Diện

tích trồng ngô chuyển gen lớn nhất ở nước Mỹ, năm 2005 diện tích ñược trồng bằng
giống ñược tạo bằng công nghệ sinh học chiếm 52%, năng suất ngô nước Mỹ ñạt hơn
10 tấn/ha trên diện tích 30 triệu ha. Năm 2007 diện tích trồng ngô chuyển gen trên thế
giới ñã ñạt 35,5 triệu ha, riêng tại Mỹ ñã lên tới 29 triệu ha, chiếm 77% trong tổng số
hơn 37,9 triệu ha ngô của nước này (GMO.COMPAS, 2007).
Có thể nói, nghiên cứu và sử dụng ngô lai thì Mỹ là một trong những nước
thành công nhất. Các nhà di truyền cải lương giống ñã sớm thành công trong việc chọn
lọc và lai tạo giống ngô. Theo E.Rinke (1979), việc sử dụng giống ngô lai ở Mỹ bắt
ñầu từ năm 1930, ñến năm 1957 chủ yếu sử dụng giống ngô lai ba và lai kép sau ñó
giống lai ñơn cải tiến và lai ñơn ñược tạo ra và sử dụng chiếm 80-85% tổng số giống
lai, trong ñó hơn 90% lai ñơn.
Bảng 2.2. Diện tích, năng suất và sản lượng ngô một số nước trên thế giới giai
ñoạn 2006-2009
Nước
Diện tích (triệu ha) Năng suất (tấn/ha) Sản lượng (triệu tấn)
2006 2007 2009 2006 2007 2009 2006 2007 2009
T.gi
ớ
i

148,6

156,9

159,5

4,74

4,88

5,12

704,17

766,23

817,11

Mỹ 28,6 35,0
32,2
9,36 9,48
10,34
267,60 332,09

333,01
T.Qu
ố
c

26,9

28,0

30,4

5,39

5,18

5,35

145,48

145,00

163,11

Brazil 14,0 14,0 13,8 3,64 3,57 3,71 51,00 50,00 51,23
Ấn ðộ 8,3 5,6 8,4 1,80 1,90 2,06 14,98 16,30 17,30
Indonesia

3,3

3,4

4,1

2,03

2,06

2,14

6,70

7,00

7,14

Philippin

2,6

2,6

2,7

2,36

2,3
0

2,39

6,23

6,10

6,25

Việt Nam 1,2 1,2 1,3 3,75 3,80 4,08 4,31 4,56 4,61
Thái Lan 1,0 1,0 1,1 3,80 3,85 4,12 3,80 3,85 3,89
(Nguồn: FAOSTAT, USDA)
(Diện tích: Triệu ha, Năng suất: Tấn/ha, Sản lượng: Triệu tấn)



Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 6

Trung Quốc là nước có diện tích ngô ñứng thứ 2 thế giới và là quốc gia sản xuất
ngô lai số một Châu Á, với diện tích năm 2007 là 26,97 triệu ha trong ñó hơn 90%
diện tích trồng bằng giống ngô lai. Năng suất ngô bình quân của Trung Quốc ñã tăng
từ 5,09 tấn/ha, năm 2006/2007 lên 5,18 tấn /ha năm 2007/2008. Ở khu vực ðông Nam
Á, Thái Lan là một trong những nước ñầu tư ñáng kể cho chương trình sản xuất ngô
khá sớm, song gần ñây lại chững lại.
Nghiên cứu và sử dụng ngô lai ở một số nước ñang phát triển bắt ñầu từ những
năm 1960 như Achentina, Brazil, Colombia Tuy nhiên, do ñiều kiện kinh tế xã hội
và yếu tố môi trường, diện tích ñất canh tác phần lớn dựa vào nước trời, ñất ñai nghèo
dinh dưỡng, xói mòn thường xuyên nên phát triển ngô còn chậm. Mặc dù, diện tích
ngô của những nước này chiếm 68% diện tích ngô toàn cầu nhưng chỉ ñạt 46% tổng
sản lượng ngô thế giới (CIMMYT, 2001), (Lê Quý Kha, 2006)
Công tác nghiên cứu lai tạo giống ngô hiện nay ñang có bước chuyển biến mới,
ñó là ứng dụng công nghệ sinh học trong chọn tạo dòng thuần. Trong những năm gần
ñây việc nghiên cứu tạo ra những dòng ñơn bội kép (Double Halploid - DH), dòng
thuần về mặt di truyền (Chomozygous lines) bằng nuôi cấy invitro ñã giúp cho công
việc tạo ra các dòng thuần một cách nhanh chóng, tiết kiệm ñược hơn nửa thời gian so
với việc tạo dòng bằng phương pháp thông thường (Ngô Hữu Tình và cs, 1999)
Theo Ngô Hữu Tình thì 21% sản lượng ngô thế giới ñược dùng làm lương thực,
71% ñược dùng làm thức ăn chăn nuôi. Ở các nước phát triển phần lớn sản lượng ngô
ñược dùng cho chăn nuôi: Thái Lan 96%, Bồ ðào Nha 91%, Mỹ 76%, Trung quốc 76%
Theo dự báo mới nhất của tổ chức Lương thực thế giới (FAO), sản lượng ngô
thế giới năm 2013 ñược dự báo ñạt khoảng 963 triệu tấn, tăng 10% so với năm 2012.
Tại Hoa Kỳ, nước sản xuất ngô lớn nhất thế giới, tốc ñộ trồng ngô trong những tháng
ñầu năm chậm hơn so với bình thường do ñiều kiện thời tiết bất lợi. Tuy nhiên, thời
tiết vào giữa tháng 5 khá thuận lợi ñã khuyến khích nông dân gieo trồng, từ ñó nhanh
chóng bù lại sản lượng ñã mất trong những tháng trước. Nếu ñiều kiện thời tiết vẫn ôn
hòa, các nhà sản xuất có thể tăng diện tích trồng ngô lên mức kỷ lục kể từ năm 1936.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp

Page 7

Nếu thành công thì sản lượng ngô thế giới sẽ trở lại bình thường sau ñợt hạn hán kéo
dài trong năm trước và dự kiến tăng lên khoảng 340 triệu tấn.
Trung Quốc, quốc gia ñứng thứ 2 về sản xuất ngô, dự kiến năm 2013 sẽ tăng
sản lượng lên 2,8% so với cùng kỳ năm trước, dự báo vào khoảng 214 triệu tấn.
Tại EU, hoạt ñộng sản xuất ngô có xu hướng tăng nhẹ với mức sản lượng dự
kiến tăng khoảng 16% so với năm trước (tương ñương tăng 9 triệu tấn), ñạt mức 65
triệu tấn.
2.2.2. Tình hình sản xuất ngô ở Việt Nam
Ở Việt Nam, ngô là cây lương thực ñứng thứ hai về diện tích và sản lượng,
tương ứng 1,12 triệu ha và 4,8 triệu tấn (2011). Năng suất ngô ñã không ngừng tăng
lên, ñặc biệt từ khi các giống ngô lai ñược ñưa vào sản xuất.
Năng suất ngô Việt Nam những năm 1960 chỉ ñạt trên 1 tấn/ ha, với diện tích
hơn 200 nghìn ha; ñến ñầu những năm 1980, năng suất cũng chỉ ñạt 1,1 tấn/ ha và sản
lượng hơn 400.000 tấn do vẫn trồng các giống ngô ñịa phương với kĩ thuật canh tác lạc
hậu. Từ giữa những năm 1980, nhờ hợp tác với Trung tâm Cải tạo Ngô và Lúa mỳ
Quốc tế (CIMMYT), nhiều giống ngô cải tiến ñã ñược ñưa vào trồng ở nước ta góp
phần nâng năng suất lên gần 1,5 tấn/ha vào ñầu những năm 1990. Tuy nhiên, ngành
sản xuất ngô nước ta thực sự có những bước tiến nhảy vọt là từ ñầu những năm 1990
ñến nay, gắn liền với việc không ngừng mở rộng giống ngô lai ra sản xuất, ñồng thời
cải thiện các biện pháp kĩ thuật canh tác theo ñòi hỏi của giống mới.
Ngay từ những năm 1972 – 1973, các nhà nghiên cứu ngô Việt Nam ñã bắt ñầu chuẩn
bị cho chương trình tạo giống ngô lai và ñược tập trung cao ñộ từ năm 1990 ñến nay.
Năm 1992 – 1994, Viện Nghiên cứu Ngô ñã lai tạo ra 5 giống ngô lai không quy
ước là: LS-3, LS-5, LS-6, LS-7, LS-8. Bộ giống ngô lai này gồm giống chín sớm,
chín trung bình và chín muộn, có năng suất từ 3-7 tấn/ha ñã ñược mở rộng nhanh
chóng trên phạm vi toàn quốc, mỗi năm diện tích gieo trồng trên 80.000 ha, tăng năng
suất 1tấn/ha so với giống thụ phấn tự do (Trần Hồng Uy, 1997).

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 8

Theo ước tính năm 1991 diện tích trồng ngô lai chưa ñến 1% trên hơn 400
nghìn ha trồng ngô, ñến năm 2007 giống lai ñã chiếm khoảng 95% trong số hơn 1 triệu
ha. Năm 1994 sản lượng ngô Việt Nam vượt ngưỡng 1 triệu tấn, năm 2000 vượt
ngưỡng 2 triệu tấn, năm 2007 có diện tích, năng suất và sản lượng cao nhất từ trước tới
nay: Diện tích 107280 ha, năng suất 36,9 tạ/ha, sản lượng vượt ngưỡng 4 triệu tấn.
ðây là một tốc ñộ nhanh trong lịch sử phát triển ngô lai và Châu Á góp phần ñưa nghề
trồng ngô của nước ta ñứng trong hàng ngũ những nước tiên tiến về sản xuất ngô lai ở
Châu Á (bảng 2.3). Tới năm 2013 diện tích ñạt 117310 ha, năng suất ñạt 44,3 tạ/ha,
sản lượng vượt ngưỡng 5 triệu tấn. Theo dự ñoán năm 2014 thì diện tích ñạt 120000
ha, năng suất ñạt 44,5 tạ/ha, sản lượng ñạt khoảng trên 5,3 triệu tấn. Tuy nhiên năng
suất và sản lượng của ngô nước ta còn thấp so với thế giới.
Bảng 2.3. Tình hình sản xuất ngô Việt Nam giai ñoạn 2000-2013 và dự ñoán 2014
Năm 2000 2005 2007 2012 2013
Dự ñoán
2014
Diện tích
(100 ha)
730,2 1052,6 1072,8
1157,0 1173,1 1200,0
Sản lượng
(1000 tấn)
2005,9 3787,1 4250,9
4801,55 5196,39 5340,0
Năng suất
(tạ/ha)
25,1 36,0 36,9
41,5 44,3 44,5

Nguồn: Tổng cục thống kê (2005), Bộ NN&PTNT (2007), MARD/ Post Estimate (2014)
Hiện nay thị phần giống ngô lai của Việt Nam chiếm khoảng 60%, chủ yếu là
giống ngô lai ñơn, áp dụng vào sản xuất ở tất cả các vùng sinh thái trong cả nước. Các
giống dài ngày như LVN10, HQ2000, LVN98 Các giống trung ngày: LVN24,
LVN12, LVN17, LVN8960 các giống ngắn ngày: LVN9, LVN20, LVN24, LVN25,
LVN99 (Nguyễn Thị Nhài, 2005).

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 9

Công nghệ sinh học là một ngành mới ñược áp dụng ở Việt Nam nhưng bước
ñầu ñã ñạt ñược những thành công. Từ năm 1995, Viện Di truyền nông nghiệp ñã có
các nghiên cứu về ñơn bội ngô, tiếp ñó kỹ thuật nuôi cấy bao phấn ở Viện Nghiên cứu
Ngô ñã ngày càng hoàn thiện và chọn ra hơn 10 dòng ñơn bội kép bước ñầu ñánh giá
là rất triển vọng. Phương pháp này cho kết quả khá ổn ñịnh và hiệu quả. Phần lớn các
dòng thuần ở Viện Nghiên Cứu Ngô ñã ñược phân nhóm ưu thế lai giúp ñịnh hướng
chọn tạo giống lai có hiệu quả nhanh.
Như vậy ñể sản xuất ngô Việt Nam theo kịp các nước tiên tiến và ñạt năng suất
trung bình của thế giới, việc quan trọng nhất là tăng cường thu thập các nguồn nguyên
liệu phù hợp, chọn tạo các giống chống chịu phục vụ cho các vùng khó khăn, chọn tạo
các giống ngô thực phẩm có năng suất và chất lượng cao, kết hợp chọn tạo giống bằng
các phương pháp hiện ñại với truyền thống, ñẩy mạnh nghiên cứu các biện pháp kỹ
thuật canh tác ñể phát huy tối ña tiềm năng của giống và bảo vệ môi trường sinh thái.
Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn sản lượng ngô năm
2010 ước ñạt 4,6 triệu tấn, tăng 235,1 nghìn tấn khoảng 5,4% so với năm 2009, nhờ
tăng cả diện tích gieo trồng và năng suất. Diện tích ngô ñạt 1126,9 nghìn ha, tăng 37,7
nghìn ha do chuyển một phần diện tích lúa thiếu nước canh tác sang trồng ngô và do
năm 2009 diện tích ngô của các tỉnh miền Bắc bị ảnh hưởng nặng bởi trận lụt lịch sử.
Năng suất ngô năm 2010 ước ñạt 40,9 tạ/ha, tăng 0,7 tạ/ha so với năm trước.
2.3. Hiện tượng ưu thế lai

2.3.1. Khái niệm
Ưu thế lai (heterosis) là một thuật ngữ ñể chỉ tính trạng của con lai F1 có sức
sống cao hơn, sinh trưởng nhanh hơn, phát triển mạnh hơn, chống chịu tốt hơn,khả
năng thích nghi, chất lượng hạt, các tính trạng năng suất cao hơn trung bình giữa hai
bố mẹ hoặc vượt trội cả hai bố mẹ.
2.3.2. Cơ sở khoa học của ưu thế lai
Cơ sở di truyền của hiện tượng ưu thế lai vẫn là vấn ñề gây tranh cãi trong suốt
lịch sử phát triển của nghành di truyền học. Một số giả thuyết ñã ñược nêu ra trong thế
kỷ XX ñể giải thích hiện tượng ưu thế lai và ñược nhiều người thừa nhận như:

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 10

Giả thuyết tính trội:
Theo giả thuyết này thì tính trội ñược hình thành trong quá trình tiến hoá của sinh
vật. Các gen trội có lợi lấn át gen lặn có hại gây hiệu quả xấu. Có nghĩa là gen trội át chế
tác ñộng của gen lặn tương ứng cùng locus trên NST tương ñồng. Ví dụ khi lai
aabbccvới AABBCC con lai F1 có kiểu gene AaBaCc nên có ưu thế lai rõ rệt.
Giả thuyết siêu trội
Giả thuyết này cho rằng nhiều tính trạng có lợi cho sự sinh trưởng do gen trội
kiểm soát còn gen lặn tương ứng thì có tác dụng ngược lại. Tính dị hợp tử của một
allen ở một vị trí nhất ñịnh sẽ sản sinh ra các vật chất có ảnh hưởng ñến sức sống, vượt
xa của các loài mang allen ñồng hợp tử do tác dụng tương hỗ giữa các allen khác nhau
trên cùng một vị trí. Theo giả thuyết này thì cơ thể có kiểu gen Aa sẽ có sức sống hơn
hẳn cơ thể mang kiểu gen AA và aa. Mô hình toán học tổng quát của giả thuyết này là:
AA < Aa > aa.
Giả thuyết cân bằng di truyền
Theo giả thuyết này thì mỗi cơ thể sinh vật ở trạng thái cân bằng di truyền nhất
ñịnh, ñảm bảo cho sự hình thành một kiểu hình thái tương ứng với ñiều kiện sống. Khi
lai các cá thể có kiểu cân bằng di truyền khác nhau, sẽ hình thành cơ thể mới có trạng

thái cân bằng di truyền mới khác cân bằng di truyền cũ do vậy con lai xuất hiện những
tính trạng mới tốt hơn ở bố mẹ.
2.4. Hệ thống ngô lai ba dòng
2.4.1. Cơ chế bất dục ñực tế bào chất
Cơ chế kiểm soát tính trạng bất dục ñực tế bào chất
Nghiên cứu về tái tổ hợp gene và tương tác giữa gene nhân của các dòng cho
phấn với gene tế bào chất của các dòng bất dục ñực tế bào chất, cho thấy có ba kiểu
phản ứng khác nhau:
- Duy trì tính bất dục ñực tế bào chất tạo ra con lai giữa dòng bất dục ñực tế bào
chất với dòng cho phấn biểu hiện bất dục ñực.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 11

- Phục hồi tính hữu dục ñực: Con lai giữa dòng bất dục ñực tế bào chất với
dòng cho phấn biểu hiện hữu dục ñực.
- Phục hồi hoặc duy trì tính bất dục ñực không hoàn toàn: Con lai giữa dòng
bất dục ñực tế bào chất với dòng cho phấn biểu hiện bất dục ñực hoặc hữu dục
không hoàn toàn.
Cơ sở di truyền bất dục ñực tế bào chất
Giả thuyết ñơn gene: Cho rằng tính bất dục ñực là kết quả của mối tương tác
giữa gene lặn trong nhân và kiểu tế bào chất ñã có thay ñổi về cấu trúc. Gene này tuân
thủ theo quy luật của Mendel. Khi kiểu gene nhân là RR hoặc Rr thì kết quả là sẽ cho
con lai hữu dục hoàn toàn hoặc hữu dục một phần. Nếu gen nhân là rr thì con lai sẽ bất
dục hoàn toàn. ðó là do 2 cơ chế : (1) Gene trội trong nhân có khả năng ñiều hòa
tương tác nhân và tế bào chất bình thường nên tạo cơ hội cho sự phát triển hạt phấn
bình thường. (2) Các alen trội có thể kìm chế ảnh hưởng bất dục hóa do ñó giao tử ñực
phát triển bình thường.
Những cơ sở giải thích tính bất dục ở cây CMS
- Các ty thể chịu trách nhiệm về những biến ñổi ở bào chất bất dục, tức những

biến cố về chức năng năng lượng của ty thể là nguyên nhân sơ cấp gây nên tính bất
dục của hạt phấn.
Ở ngô, dạng bất dục ñực tế bào chất kiểu Texas mẫn cảm có tính ñặc thù với
nấm Helminthosporium maydis chủng T (dạng ngô này nhiễm bệnh rất nặng, không sử
dụng trong sản xuất hạt lai). ðộc tố (Toxin) chiết xuất từ nấm này gây ức chế sự
phophoril hóa tới 50% ở ty thể cây bình thường, và ức chế toàn bộ (100%) ở ty thể cây
bất dục ñực tế bào chất kiểu Texas. Kết quả này là một trong các dẫn liệu, chứng tỏ
bào chất bất dục liên quan tới ñặc ñiểm của ty thể
- Ở cây bình thường và cây CMS có thể chứa quần thể bao gồm cả 2 dạng ty
thể: ty thể hữu dục và ty thể bất dục. Những sai khác về số lượng của 2 dạng này tạo
nên tỷ lệ tương quan khác nhau giữa 2 dạng. ðiều này dẫn ñến các mức ñộ khác nhau
về sự cung cấp năng lượng ở tế bào.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 12

- Ở cây CMS mức ñộ cung cấp năng lượng của tế bào tăng ở giai ñoạn nảy
mầm và cây non. Ngược lại, ở giai ñoạn phát sinh giao tử mức ñộ cung cấp năng lượng
không ñược ñầy ñủ so với nhu cầu cần thiết ñể ñảm bảo cho quá trình hình thành hạt
phấn. Ở cây hữu dục, mức cung cấp năng lượng ở giai ñoạn phát sinh giao tử là cao,
ñảm bảo hình thành các hạt phấn hữu dục.
- Ở giai ñoạn phát sinh giao tử tồn tại mức ngưỡng về cung cấp năng lượng cho
sự phát triển cây bình thường của hạt phấn. Các mức cung cấp năng lượng bị thiếu hụt
lớn hay nhỏ so với mức ngưỡng gây nên những mức ñộ bất dục sâu sắc hay kém sâu
sắc (ngoại diện) của kiểu gen CMS
- Kiểu bất dục sâu sắc tương ứng với việc dễ tìm thấy dạng duy trì tốt, ngược lại
khó tìm thấy dạng phục hồi tốt
- Kiểu bất dục ngoại diện dễ phục hồi nhưng khó duy trì
- Nhiều tác ñộng của những yếu tố ngoại cảnh có thể làm thay ñổi về tỷ lệ
tương quan giữa các ty thể bình thường và ty thể bất dục, tù ñó dẫn tới sự thay ñổi mức

ñộ bất dục của cây CMS (do có sự biến ñổi về cung cấp năng lượng).
Bảng 2.4. Sự tương tác giữa tế bào chất và nhân
STT

Kiểu gen Kiểu tế bào chất Kiểu hình (hạt phấn)
1 rfrf S (bất dục) Hỏng
2 Rfrf N (hữu dục) Tốt
3 RfRf hoặc Rfrf S (bất dục) Hỏng
4 RfRf hoặc Rfrf N (hữu dục) Tốt

Vậy hạt phấn của ngô chỉ bị mất hoạt tính khi có yếu tố bất dục trong tế bào
chất mà lại thiếu thiếu gene phục hồi hữu dục (Rf) ở trong nhân, alen của gene này là
rf là gene củng cố tính bất dục. Cây ñược phục hồi hữu dục Rfrf.S cho tự thụ phấn thì ở
ñời sau sẽ có 1/4 rfrf có hạt phấn hỏng. Nếu lấy bắp của dạng rfrf.S thụ phấn của
rfrf.N, thì phấn hoa của toàn bộ ñời sau sẽ bị hỏng, cây này chỉ còn bắp mang nhị cái.

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 13

ðó là cách dùng phương pháp di truyền ñể khử cờ ngô. Khi sản xuất hạt giống, những
cây này muốn có hạt thì phải thụ phấn hữu dục của những cây bình thường. Nếu muốn
dùng những hạt ñó ñể sau này trồng lại thì cây bố phải có kiểu gene RfRf và kiểu tế
bào chất N (bình thường) hoặc S (bất dục).
Trong sản xuất giống ngô có thể dùng tổ hợp dòng thuần dạng 1 làm cây mẹ và
dạng 3 hoặc dạng 4 ñồng hợp tử làm cây bố. Như thế sẽ ñỡ mất công khử ñực ở cây
mẹ và hạt lai thu ñược từ cây mẹ sẽ có kiểu gene Rfrf, kiểu tế bào chất S. Kiểu gene
này ñảm bảo ñược sự thụ phấn bình thường lúc trồng trong sản xuất.
2.4.2. Tầm quan trọng của bất dục ñực tế bào chất
Sự xuất hiện của giống lai ñã ñưa ñến sự gia tăng về năng suất và chất lượng.
Chính vì thế sản xuất hạt giống cần ñòi hỏi có nguồn gen tốt từ cây mẹ và cây bố cung

cấp hạt phấn phải có chất lượng tốt. Sản xuất giống thì cần tránh trường hợp tự thụ
(phấn của cây mẹ tự thụ cho chính bắp của chúng). ðiều này có thể ñược thực hiện
bằng tay hoặc sử dụng cây mẹ bất dực ñực (Chase et al., 2010). Trong số các hệ thống
di truyền, CMS là hệ thống không chuyển gen quan trọng nhất trong ngô lai. Bất dục
ñực ñược hình thành bởi ñột biến của ty thể DNA làm gián ñoạn sự phát triển của hạt
phấn chức năng (Schnable và Wise, 1998). Khả năng sinh sản của bắp thường không
bị ảnh hưởng (Laughnan và Gabay, 1983) và cây này có thể nhận phấn của cây khác
nếu hạt phấn phù hợp. Các ñặc ñiểm di truyền theo dòng mẹ có thể ñược bù ñắp bởi
gen phục hồi, trong ñó phục hồi khả năng sinh sản trong các thế hệ con lai F1 của
CMS có thể là hữu dục hoặc bất dục. Sản xuất hạt giống lai ñòi hỏi CMS, duy trì và
phục hồi dòng bố mẹ, CMS mang kiểu gen rfrf và một tế bào chất CMS. Cây có khả
năng duy trì cho dòng CMS thì có kiểu S.rfrf và N- tế bào chất bình thường, còn cây
có khả năng phục hồi thì phải chứa kiểu gen RfRf. Trong trường hợp của ngô, chi phí
sản xuất giống bằng CMS có thể ñược giảm khoảng 2% (W.Schmidt et al., 2008).
Không có số liệu chính thức về việc sử dụng hiệu quả của CMS trong sản xuất hiện
nay của hạt giống lai, nhân trên phạm vi rộng hơn 150 ha (H.Camp et al., 2010). Cũng
như sản xuất hạt giống lai, CMS cũng là một giải pháp khả thi của các vấn ñề bảo tồn
của cây trồng chuyển gen và không chuyển gen hoặc thực vật bản ñịa. Chuyển gen

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 14

thực vật CMS sẽ không phát tán phấn hoa cho môi trường, vì vậy thụ phấn của cây
trồng không biến ñổi gen hoặc thực vật bản ñịa sẽ không xảy ra (Munsch et al., 2008).
Trong bối cảnh này, Feil (2002) ñề xuất trồng CMS lai ñể sản xuất thuốc không có
nguy cơ phấn hoa trôi. Hệ thống Plus- lai kiểm soát việc phát tán của phấn hoa từ ngô
biến ñổi gen và làm tăng năng suất hạt của nó bằng cách phát triển diện tích trồng
CMS (80%). Một số nghiên cứu khẳng ñịnh năng suất tăng từ 5 ñến 10% (Weingartner
et al., 2002).
2.5. Hệ thống ngô lai ba dòng sử dụng bất ñực tế bào chất

2.5.1. Khái niệm về hệ thống ngô lai ba dòng
Ngô lai ba dòng là hệ thống ngô lai khi sản xuất hạt lai F1 phải sử dụng ba loại
dòng có bản chất di truyền khác nhau: Dòng bất dục ñực tế bào chất CMS
(cytoplasmic male sterility) còn ñược gọi là dòng A, dòng duy trì bất dục ñực
(maintainer line) ñược ký hiệu là dòng B và dòng phục hồi hữu dục ñực (restorer line)
ñược gọi là dòng R.
2.5.2. Dòng bất dục ñực tế bào chất (CMS)
Dòng A (dòng bất dục): là dòng có nhụy phát triển bình thường nhưng hạt phấn
bị thui chột hoàn toàn, nó không tự thụ phấn như ngô thường mà muốn kết hạt phải
nhờ vào phấn của dòng bố khác. Nếu nhuộm hạt phấn bằng dung dịch I-KI (1%) và soi
trên kính hiển vi thì hạt phấn không nhuộm màu, có hình dạng bất thường: hình tam
giác, hình thoi, hình trăng khuyết… Nhìn bằng mắt thấy bao phấn có màu trắng, rung
cây lúc hoa nở không có phấn tung ra, nếu cách ly dòng A khi trỗ bông thì hạt bị lép
hoàn toàn, nếu dùng phấn của cây ngô khác rũ vào nhụy hoa dòng A thì dòng A kết
ñược hạt.
Cơ chế của sự bất dục là sự tương tác giữa gen nhân và gen trong tế bào chất.
Cây bất dục biểu hiện tính bất dục cần ñảm bảo ñủ 2 ñiều kiện: chứa dạng tế bào chất
bất dục (S) và một hay 2 gen lặn nằm trong nhân (rfrf) ñể duy trì tính bất dục ñực. Cây
bất dục ñực phải có kiểu gen S.rfrf ở những cây này nhân không thể bù ñắp sự thiếu
hụt về mặt năng lượng ở những ty thể bất dục gây nên. Hạt phấn sinh ra ở những cây

Học viện Nông nghiệp Việt Nam – Luận văn thạc sỹ Khoa học Nông nghiệp
Page 15

này không tích luỹ ñược năng lượng, hạt phấn bị lép, méo mó biến dạng không có khả
năng nảy mầm và thụ tinh.
Hiện nay người ta ñã xác ñịnh ñược 4 dạng bất dục ñực tế bào chất ở ngô là:
CMS-T, CMS-S, CMS-C, CMS-O. Mỗi dạng gen gây bất dục ñực CMS có gen hoặc
nhóm gen duy trì và phục hồi riêng. Việc tìm ra giống ngô nào có chứa gen duy trì
hoặc phục hồi cho mỗi dạng này là việc làm cần thiết ñể tạo dòng CMS mới phục vụ

chọn tạo giống ngô lai 3 dòng.
Bất dục ñực tế bào chất CMS không có khả năng sản xuất hạt phấn di truyền
theo dòng mẹ. CMS ñược tìm thấy trong hơn 150 loài (Laser và Lersten ,1972; Wise
và Pring, 2002). Ngô có ba loại CMS chính (Zea mays, L): Texas (T), USDA (S) và
Charrua (C). Gen nhân có thể ngăn chặn các kiểu hình CMS và phục hồi khả năng sinh
sản. Tế bào chất T và C ñược ñặc trưng bởi bào tử phục hồi, trong khi S tế bào chất
ñược ñặc trưng bởi giao tử phục hồi. Phục hồi bào tử có nghĩa là tất cả các giao tử ñực
(phấn hoa) ñược sản xuất bởi một cá thể có kiểu gen phục hồi ở dạng dị hợp tử sẽ có
thể thụ tinh thành công giao tử cái. Phục hồi giao tử có nghĩa là các giao tử ñực mang
alen phục hồi sẽ có thể thụ tinh thành công giao tử cái vì phục hồi ñang xảy ra ở mức
ñộ ñơn bội (giao tử).
a. Dạng CMS-T
Bất dục ñực tế bào chất dạng Texas, lần ñầu tiên ñược phát hiện bởi Golden
June tại Texas (Rogers và Edwardson, 1952). CMS-T là một hệ thống mô hình ñể
nghiên cứu bất dục ñực tế bào chất và phục hồi khả năng sinh sản. Các gen ty thể chịu
trách nhiệm về bất dục ñực là T-urf13. Khả năng sinh sản ñược khôi phục tế bào chất
ngô T do sự kết hợp của hai nhân gen là Rf1 và Rf2a. Rf1 là liên quan ñến việc tích lũy
thêm 1,6/0,6 kb T-urf13 bản sao lại trong khi Rf2a là một aldehyde dehydrogenase và
không liên quan ñến bản sao lại. Ngoài ra còn có phục hồi một phần khả năng sinh sản
cho T tế bào chất, Rf8 và Rf* kết hợp với Rf2a sẽ phục hồi khả năng sinh sản và một phần
có liên quan ñến sự tích luỹ bổ sung của 1,42/0,42 kb và 1,4/0,4-kb T- urf13 bản sao.