mở đầu cho khoa học chọn tạo giống cây trồng bằng đột biến (Vũ Văn Liết & cs. Quá trình hình thành và phát triển đột biến ở lúa trên thế giới Năm Sự kiện 1927 Muller đã chứng minh đột biến có thể được gây ra một cách nhân tạo 1928 Stadler mô tả hiệu ứng gây đột biến của tia X và tia gamma trên lúa mạch, ngô và lúa mỳ 1957 Trung Quốc công bố 3 giống lúa đột biến đầu tiên là: KT 20-74 (Keh-tze 20-74), SH 30-21và Shuangchiang 30-21 1977 Giống lúa đột biến đầu tiên được thương mại tại Mỹ 1990 T-ADN được chèn và biểu hiện thành công trong cây lúa 1993 Phần tử tự trị Ac trong hệ thống chuyển vị của ngô, được đưa vào hệ gen của cây lúa 1996 Sử dụng thành công retrotransposon để gây đột biến ở lúa 2002 Các giống lúa kháng thuốc trừ cỏ Imidazolinone được đưa vào sử dụng, dự thảo trình tự bộ gen của japonica và indica lần đầu tiên xuất hiện (Một trong những giống lúa đột biến đã tạo ra cuộc cách mạng hóa Nông nghiệp ở Hoa Kỳ). 2005 Trình tự bộ gen lúa hoàn chỉnh dựa trên bản đồ di truyền được công bố và trở thành tiêu chuẩn vàng của bộ gen cây trồng 2013 Hệ thống chỉnh sửa CRISPR/Cas được đưa vào sử dụng để chỉnh sửa gen mục tiêu ở lúa 2019 823 giống lúa đột biến được đăng ký chính thức kể từ khi giống lúa đột biến đầu tiên được tạo ra và phát triển ở Trung Quốc năm 1957 2021 853 giống lúa đột biến được công bố trên toàn thế giới Nguồn: IAEA (2019) 2. CƠ SỞ KHOA HỌC PHÁT SINH ĐỘT BIẾN PHÓNG XẠ Hugo De Vries sử dụng đầu tiên năm 1901, tác giả này cho rằng: di truyền có thể bị thay đổi bởi một cơ chế khác với sự tái tổ hợp.
Tuy nhiên, người sáng lập đột biến là Muller (Kamile & Ayse, 2015). Năm 1927, Muller chứng minh hiện tượng đột biến có thể gây ra một cách nhân tạo, ông đề nghị chiếu xạ (tia X) để gây đột biến nhân tạo trong công tác chọn tạo giống cây trồng. Năm 1928, Stadler mô tả hiệu ứng gây đột biến của tia X và tia gamma trên lúa mạch, ngô và lúa mỳ (Vũ Văn Liết & cs. 13 Trần Duy Quý & cs.
(2009) cho rằng chọn giống đột biến tạo ra sự đa dạng về di truyền của vật liệu khởi đầu nhanh và hiệu quả, chỉ làm thay đổi một hoặc một vài tính trạng mà không làm ảnh hưởng tới những tính trạng khác của cây trồng. Đồng quan điểm, Shua & cs. (2012),cho rằng đột biến thực nghiệm có thể làm xuất hiện một đặc tính hoàn toàn mới một cách tức thời từ giống đã có mà không làm ảnh hưởng đến các đặc tính khác của giống. Chính vì vậy, đột biến thực nghiệm đang được áp dụng rộng rãi trong chọn tạo giống cây trồng bằng xử lý tác nhân vật lý (tia gamma, rơnghen, alpha, beta,…), hóa học (các hợp chất alkyl hóa, các đồng đẳng của base nitơ…).
Tác nhân phóng xạ gây đột biến 2. Nhóm phóng xạ ion hóa Là loại phóng xạ gây ra các phản ứng phóng xạ, tạo ra các cặp ion hóa trong môi trường mà chúng xâm nhập hoặc gây ra sự kích động phân tử, được chia thành hai nhóm phụ: nhóm bức xạ hạt và nhóm bức xạ sóng điện từ (Lê Duy Thành, 2001). Bức xạ hạt Là những dòng nguyên tử và hạt sơ cấp chuyển động với tốc độ thay đổi, được đặc trưng bằng khối lượng điện tích và tốc độ, được chia thành 3 nhóm: Nhóm hạt sơ cấp nhẹ, những dòng điện tử, pozitron; Nhóm hạt nặng mang điện tích: proton, detron, α (proton – hạt cơ bản bền vững, m = 1836 e, điện tích e+; detron – nhân của đồng vị phóng xạ H2; hạt α – nhân của He (2He4) gồm 2 proton, 2 neutron, điện tích 2e+) và nhóm hạt trung bình (neutron) không mang điện, có thể xâm nhập vào mọi hạt nhân nguyên tử. Bức xạ sóng điện từ Là sóng điện từ phát ra trong không gian ở dạng dao động điện từ và từ trường, ví dụ như tia Rơnghen (tia X), tia γ.
Các sóng điện từ đặc trưng bằng bước sóng λ; C = λ. Nhóm phóng xạ không gây ion hóa Đại diện cho nhóm này là tia tử ngoại (λ = 10-7 – 10-5). Khi xuyên qua các mô sống của cơ thể sinh vật, nó không gây ion hóa mà chỉ gây kích động phân tử, sức xuyên thấu yếu nên thường dùng để xử lý hạt phấn và bào tử. Các dạng phóng xạ ứng dụng trong chọn giống 2.Tia X Tia X là sóng điện từ có λ = 10-9m – 10-12m, được ứng dụng nhiều rất sớm và rộng rãi vào chọn giống vì: i- Thiết bị sản sinh ra tia X đơn giản, dễ sắm và thao tác không phức tạp; ii- Chiếu tia X trên hạt và các bộ phận khác của cây dễ dàng; iii- Tính liều lượng dễ; iv- Khi sử dụng không gặp phải những hạn chế như khi sử dụng neutron hoặc hóa chất (Lê Duy Thành, 2001).
Neutron Việc sử dụng neutron chỉ bắt đầu khi xuất hiện những lò phản ứng nguyên tử. Neutron nhanh trong các lò phản ứng hạt nhân có thể làm giảm tốc độ nhờ H2O2 (tương đương với tốc độ chuyển động nhiệt) gọi là neutron chậm. Năng lượng của neutron cũng đo qua đơn vị R của tia X (năng lượng đơn vị này bằng năng lượng 1g nước hấp thụ khi chiếu 1R của tia X đi qua). Neutron ảnh hưởng đối với hạt tương đối đồng nhất, tỷ lệ sống sót ở M1 tương đối cao và tần số đột biến cao (Lê Duy Thành, 2001).
Các chất đồng vị phóng xạ Những chất này tác động vào quá trình trao đổi chất của nhân tế bào và có khả năng gây đột biến, thường dùng P32 và S35 (có chu kỳ phân hủy ngắn nên ít nguy hiểm hơn các nguyên tố có chu kỳ phân giải dài). Tuy nhiên, chúng vẫn dễ gây nguy hiểm nên đến nay ít được dùng trong chọn giống. Tia γ Trước đây, người ta thường dùng Rn và Ra làm nguồn cho tia γ, hiện nay thường dùng Co60 và Cs137. Tia γ có khả năng xuyên sâu cao, không kìm hãm quá trình sinh sản của cây, cho ra tỉ lệ đột biến có lợi cao.
Hiệu quả tác dụng của tia γ có thể thay đổi rất đáng kể dưới ảnh hưởng của các nhân tố bên ngoài như hàm lượng oxi, nhiệt độ và đặc tính sinh lý, sinh hóa của tế bào. Cơ chế gây đột biến của các tia phóng xạ Cơ chế gây đột biến của tia phóng xạ có ba giả thuyết: 2. Thuyết bia Các cơ quan tử hay nhiễm sắc thể (NST) trong tế bào được xem như là đơn vị cảm ứng (bia). Khi các lượng tử hay các hạt cơ bản va chạm vào các đơn vị cảm ứng sẽ gây ra biến đổi → đột biến.
Thuyết này giải thích chưa thỏa đáng vì 15 một số loài có kích thước NST lớn nhưng lại có độ cảm ứng phóng xạ thấp hơn so với loài có NST nhỏ. Thuyết các gốc tự do Theo một số tác giả không chỉ có các cơ quan tử, các NST trong tế bào mới là bia mà phải kể tới các phân tử nước vì nước chiếm tỉ lệ cao trong tế bào. Khi chiếu xạ vào cơ thể hay tế bào, nước hấp thu năng lượng dễ bị mất đi 1e- → ion (+): H2O → H2O+ + 1e-. Điện tử giải phóng được phân tử nước khác hấp thu → ion (-): H2O + 1e-→ H2O-.
H2O+, H2O- không bền, phân hủy nhanh chóng tạo ra các gốc tự do H* và OH* cùng các ion bền vững H+ và OH-. Các gốc tự do H* và OH* phối hợp với oxi trong tế bào hoặc kết hợp với nhau tạo các phân tử peroxyd vô cơ: H*+ O2→ HO2*; HO2*+ H+→ H2O2; OH* + OH* → H2O2. Ngoài ra, các gốc tự do còn kết hợp với các chất hữu cơ trong tế bào tạo nên peroxyd hữu cơ: RH + OH → R* + H2O; R*+ O2→ ROO*. Các peroxyd tác động lên DNA theo nhiều phương thức: làm mất gốc NH2 của gốc dị vòng chứa nitơ; làm mất nguyên tử H2; làm đứt liên kết glycoside giữa đường và bazơ; oxi hóa đường pentose; đứt chuỗi nucleotide và tăng phosphate vô cơ; tác động trực tiếp lên NST hay môi trường xung quanh NST gây ra đột biến về số lượng, cấu trúc NST.
Thuyết hiện đại Trong cơ thể tồn tại các hợp chất hữu cơ ở trạng thái lỏng có nồng độ khác nhau tùy thuộc vào trạng thái sinh lý của cơ thể. Nếu nồng độ chất cao thì sự va chạm của lượng tử vào các phân tử nhiều hơn, hiệu quả tác động bia nhiều hơn. Nếu nồng độ chất thấp thì các lượng tử của tia phóng xạ tác động lên phân tử nước theo thuyết tự do → thuyết hiện đại dung hòa hai thuyết trên. Tần số đột biến phụ thuộc vào liều lượng phóng xạ, nhưng chỉ đến một mức độ nhất định thì liều lượng gần như không có tác dụng nữa.
Đặc biệt là hiệu quả tác dụng của tia tử ngoại phụ thuộc rất lớn vào độ dài của bước sóng, bước sóng trong khoảng 2500 – 2800Å có hiệu quả tác dụng lớn nhất. Cơ chế tác động tia gamma Tia gamma thuộc nhóm bức xạ sóng điện từ, các tia phóng xạ thuộc nhóm này có độ dài bước sóng ngắn, mang năng lượng lớn, có thể xuyên sâu vào các mô sống nên được dùng để chiếu xạ hạt và các bộ phận khác của cây. 16 Năng lượng gamma tùy thuộc vào tần xuất sóng và được biểu thị bằng công thức: E = h.c/ Trong đó: T: Tần số sóng; h = 6,62. 10-27erg/s (hằng số plăng) : Bước sóng; c: Tốc độ ánh sáng Nguồn phóng xạ thường dùng để tạo bức xạ gamma là Coban 60 (Co60), liều phóng xạ được đo bằng đơn vị rơntghen (r) hoặc gray (1gray = 100 rơnghen) và được tính bằng số nguyên tử ion hóa trên một đơn vị thể tích.
Trong thực tế, 1 rơntghen (r) được tính bằng lượng phóng xạ ion hóa tạo ra 2,038 x 10-9 cặp ion/1cm3 khí ở 0oC và áp suất 760 mmHg. Đặc biệt, liều chiếu xạ có sự tích lũy theo thời gian, nghĩa là: chiếu xạ xuất liều thấp trong thời gian dài có thể tương đương với chiếu xạ xuất liều cao trong thời gian ngắn (xuất liều là liều chiếu xạ tính trên một đơn vị thời gian – thường là giây hoăc phút, do đó xuất liều chiếu xạ = liều chiếu xạ/ thời gian chiếu xạ) (Vũ Văn Liết & cs. Như vậy, chiếu xạ tia gamma (Co60) vào vật mẫu ở liều xạ nhất định có thể chiếu với xuất liều lớn trong thời gian ngắn hoặc xuất liều nhỏ trong thời gian dài.