Luận án TS. Nguyễn Thị Hồng: Nâng cao năng suất, chất lượng lúa kháng bệnh bạc lá

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tạo giống lúa kháng bệnh bạc lá, nâng cao năng suất và chất lượng bằng phương pháp đột biến và chỉ thị phân tử.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hồng
• Người hướng dẫn: GS. Lê Huy Hàm
• Trường học: Viện Khoa Học Nông Nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Di truyền và Chọn giống cây trồng
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao năng suất, chất lượng một số dòng lúa kháng bệnh bạc lá bằng phương pháp đột biến và chỉ thị phân tử
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Luận án lúa kháng bệnh bạc lá Tổng quan và ý nghĩa then chốt

Luận án tiến sĩ nông nghiệp về chủ đề lúa kháng bệnh bạc lá không chỉ là một công trình khoa học chuyên sâu mà còn là một giải pháp thiết thực cho ngành nông nghiệp. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến các dòng lúa có sẵn gen kháng bệnh bạc lá nhưng còn hạn chế về năng suất và chất lượng. Bằng cách kết hợp phương pháp đột biến thực nghiệm và công nghệ sinh học nông nghiệp hiện đại, luận án mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các giống lúa cải tiến. Mục tiêu cốt lõi là tạo ra giống lúa vừa có sức đề kháng của cây trồng mạnh mẽ trước tác nhân Xanthomonas oryzae pv. oryzae, vừa đạt được năng suất vượt trội (6-7 tấn/ha) và chất lượng gạo đáp ứng thị hiếu người tiêu dùng. Luận án này khẳng định tính hiệu quả của việc ứng dụng đồng thời phương pháp đột biến và đánh dấu phân tử (molecular marker) trong chọn tạo giống lúa. Cách tiếp cận này giúp rút ngắn thời gian chọn lọc, tăng độ chính xác và giữ lại những đặc tính tốt của giống gốc. Thành công của nghiên cứu không chỉ mang lại giá trị kinh tế trực tiếp cho người nông dân mà còn đóng góp quan trọng vào chiến lược an ninh lương thực quốc gia và thúc đẩy một nền nông nghiệp bền vững, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp. Các dòng lúa đột biến triển vọng được tạo ra từ nghiên cứu sẽ là nguồn vật liệu di truyền quý giá cho các chương trình lai tạo giống trong tương lai.

1.1. Mục tiêu và đóng góp mới của luận án cho ngành nông nghiệp

Mục tiêu chính của luận án là cải tiến năng suất và chất lượng cho các dòng lúa đã mang gen kháng bệnh cháy bìa lá. Cụ thể, nghiên cứu hướng đến việc nâng năng suất trung bình lên 6-7 tấn/ha và cải thiện các chỉ tiêu chất lượng như mùi thơm, độ mềm dẻo. Đóng góp mới của luận án nằm ở việc chứng minh hiệu quả của việc kết hợp phương pháp đột biến (sử dụng tia gamma và ion beam) với công cụ đánh dấu phân tử (molecular marker). Cách tiếp cận này cho phép cải tiến một vài đặc điểm mục tiêu mà không làm xáo trộn nền di truyền ưu việt của giống gốc. Luận án đã tạo ra 5 dòng lúa đột biến triển vọng và một tập đoàn 52 dòng vật liệu có giá trị, mở ra tiềm năng lớn cho các chương trình chọn tạo giống lúa sau này.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn trong bối cảnh an ninh lương thực

Về mặt khoa học, luận án cung cấp bằng chứng thực nghiệm về việc tạo ra đa dạng di truyền và chọn lọc thành công các đột biến có lợi. Kết quả phân tích sai khác di truyền ở mức độ phân tử đã làm rõ hơn cơ chế biến đổi trong hệ gen của cây lúa sau khi xử lý đột biến. Về thực tiễn, các giống lúa cải tiến từ nghiên cứu giúp giải quyết mâu thuẫn cố hữu: giống kháng bệnh tốt thì năng suất, chất lượng thấp và ngược lại. Việc đưa các giống này vào sản xuất sẽ giúp nông dân giảm chi phí thuốc bảo vệ thực vật, tăng thu nhập và ổn định sản xuất. Điều này đóng góp trực tiếp vào việc đảm bảo an ninh lương thực và phát triển nông nghiệp bền vững tại Việt Nam.

II. Bệnh bạc lá lúa Thách thức lớn đối với năng suất nông nghiệp

Bệnh bạc lá, hay còn gọi là bệnh cháy bìa lá, do vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae gây ra, là một trong những dịch hại nghiêm trọng nhất trên cây lúa tại Việt Nam và nhiều quốc gia châu Á. Bệnh có khả năng lây lan nhanh, đặc biệt trong điều kiện thời tiết nóng ẩm, mưa bão, gây thiệt hại nặng nề đến năng suất nông nghiệp. Vi khuẩn xâm nhập vào cây qua các vết thương cơ giới hoặc thủy khổng, sau đó di chuyển trong hệ thống mạch dẫn, gây tắc nghẽn và làm cho lá bị khô héo, bạc trắng. Khi bệnh phát triển mạnh ở giai đoạn làm đòng đến trỗ bông, tỷ lệ hạt lép tăng cao, làm giảm đáng kể sản lượng và chất lượng hạt gạo. Theo thống kê, diện tích lúa nhiễm bệnh bạc lá tại Việt Nam có xu hướng gia tăng, có năm lên tới hàng trăm nghìn hecta, trong đó nhiều diện tích bị mất trắng. Việc phòng trừ bằng hóa chất gặp nhiều khó khăn và không mang lại hiệu quả triệt để. Hơn nữa, sự đa dạng của các chủng vi khuẩn gây bệnh đòi hỏi phải có các giải pháp mang tính bền vững. Do đó, phát triển các giống lúa cải tiến mang gen kháng bệnh bạc lá được xem là biện pháp hiệu quả và thân thiện với môi trường nhất để kiểm soát dịch bệnh này, góp phần bảo vệ thành quả của người nông dân và đảm bảo an ninh lương thực.

2.1. Tác nhân Xanthomonas oryzae và quy luật phát sinh gây hại

Vi khuẩn Xanthomonas oryzae pv. oryzae là tác nhân chính gây ra bệnh bạc lá trên lúa. Vi khuẩn này tồn tại chủ yếu trong tàn dư cây bệnh, hạt giống và một số loại cỏ dại. Quy luật phát sinh bệnh phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện ngoại cảnh. Bệnh thường phát triển mạnh trong vụ Mùa ở miền Bắc, khi nhiệt độ và ẩm độ cao (nhiệt độ tối ưu khoảng 28°C), đặc biệt sau những trận mưa bão làm lá lúa bị tổn thương, tạo điều kiện cho vi khuẩn xâm nhập. Các yếu tố về kỹ thuật canh tác như bón đạm mất cân đối, bón quá nhiều đạm cũng làm tăng tính mẫn cảm của cây lúa với bệnh. Hiểu rõ quy luật này là cơ sở quan trọng để xây dựng các biện pháp phòng trừ tổng hợp hiệu quả.

2.2. Thiệt hại kinh tế và vai trò của bệnh học thực vật trong nghiên cứu

Thiệt hại do bệnh cháy bìa lá gây ra là rất lớn, có thể làm giảm năng suất từ 20-50%, thậm chí mất trắng nếu bệnh phát sinh sớm và gặp điều kiện thuận lợi. Thiệt hại không chỉ dừng lại ở sản lượng mà còn ảnh hưởng đến chất lượng hạt gạo, làm giảm giá trị thương phẩm. Ngành bệnh học thực vật đóng vai trò then chốt trong việc nghiên cứu cơ chế gây bệnh của vi khuẩn, xác định các chủng sinh lý khác nhau và đánh giá hiệu lực của các gen kháng bệnh bạc lá. Các nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học để các nhà chọn giống xác định được các gen kháng hữu hiệu, chẳng hạn như tính kháng Xa (Xa4, Xa7, Xa21), để đưa vào các giống lúa mới, tạo ra sức đề kháng của cây trồng một cách bền vững.

III. Phương pháp đột biến Chìa khóa cải tiến di truyền giống lúa

Phương pháp đột biến thực nghiệm là một công cụ mạnh mẽ trong chọn tạo giống lúa, cho phép tạo ra nguồn biến dị di truyền phong phú một cách nhanh chóng và hiệu quả. Không giống như lai hữu tính, phương pháp này có thể cải tiến một hoặc một vài tính trạng không mong muốn của một giống ưu việt mà không làm phá vỡ tổ hợp gen quý sẵn có. Luận án đã ứng dụng các tác nhân vật lý như tia gamma (nguồn Co60) và bức xạ ion beam để xử lý hạt giống, gây ra những thay đổi ở cấp độ phân tử ADN. Quá trình này tạo ra các dòng đột biến với nhiều đặc điểm nông học đa dạng. Các nhà khoa học sau đó tiến hành chọn lọc qua nhiều thế hệ (M1, M2,...) để tìm ra những cá thể mang đột biến có lợi, chẳng hạn như tăng số hạt trên bông, rút ngắn thời gian sinh trưởng, hoặc cải thiện hình dạng, chất lượng hạt gạo. Việc kết hợp cải tiến di truyền bằng đột biến với các phương pháp đánh giá hiện đại đã khẳng định vị thế của nó trong công nghệ sinh học nông nghiệp, góp phần tạo ra nhiều giống lúa cải tiến có giá trị, đóng góp tích cực vào năng suất nông nghiệp và sự phát triển của ngành trồng trọt.

3.1. Kỹ thuật chiếu xạ tia gamma và ion beam trong chọn giống

Trong luận án, hai tác nhân vật lý chính được sử dụng là tia gamma và bức xạ ion beam. Chiếu xạ tia gamma là phương pháp phổ biến, có khả năng gây ra các đột biến điểm hoặc các thay đổi nhỏ trên ADN. Trong khi đó, bức xạ ion beam với hệ số truyền năng lượng cao có khả năng tạo ra phổ đột biến rộng hơn, bao gồm cả những thay đổi cấu trúc lớn trên nhiễm sắc thể. Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của các liều lượng chiếu xạ khác nhau (từ 100Gy đến 450Gy đối với tia gamma) để xác định liều tối ưu (LD50), nhằm tạo ra tần số đột biến cao nhất mà vẫn đảm bảo tỷ lệ sống sót hợp lý. Việc lựa chọn tác nhân và liều lượng phù hợp là yếu tố quyết định đến thành công của quá trình chọn tạo giống lúa bằng phương pháp đột biến.

3.2. Quy trình chọn lọc các dòng đột biến có ý nghĩa nông nghiệp

Sau khi xử lý đột biến, quy trình chọn lọc được tiến hành một cách nghiêm ngặt qua nhiều thế hệ. Thế hệ M1 được đánh giá các chỉ tiêu về tỷ lệ sống sót và các biến dị hình thái ban đầu. Từ thế hệ M2, công tác chọn lọc cá thể bắt đầu dựa trên các mục tiêu đã đề ra như năng suất, chất lượng và các đặc tính nông học quan trọng khác. Các dòng đột biến có triển vọng sẽ tiếp tục được đánh giá, so sánh và nhân lên ở các thế hệ sau. Quá trình này đòi hỏi sự kiên trì và phương pháp đánh giá khoa học, chính xác để xác định được những dòng thực sự có giá trị cho sản xuất, góp phần vào việc cải tiến di truyền và nâng cao năng suất nông nghiệp.

IV. Cách dùng chỉ thị phân tử để sàng lọc gen kháng bệnh bạc lá

Việc ứng dụng đánh dấu phân tử (molecular marker), hay chỉ thị phân tử (CTPT), đã tạo ra một cuộc cách mạng trong chọn tạo giống lúa. Thay vì phải chờ đợi cây biểu hiện tính trạng và đánh giá lây nhiễm nhân tạo tốn nhiều thời gian, công sức, các nhà khoa học có thể xác định sự hiện diện của gen kháng bệnh bạc lá ngay từ giai đoạn cây non chỉ bằng một mẫu lá nhỏ. Phương pháp này, còn được gọi là chọn lọc nhờ chỉ thị (Marker-Assisted Selection - MAS), có độ chính xác cao và không phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Luận án đã sử dụng các chỉ thị STS (Sequence Tagged Site) và SSR (Simple Sequence Repeats) đặc hiệu liên kết chặt với các gen kháng quan trọng như Xa4, Xa7, và Xa21. Nhờ đó, quá trình sàng lọc hàng nghìn cá thể đột biến trở nên nhanh chóng và hiệu quả hơn rất nhiều. Công nghệ sinh học nông nghiệp này không chỉ giúp xác nhận tính kháng Xa trong các dòng lúa triển vọng mà còn được dùng để phân tích sự đa dạng và sai khác di truyền giữa các dòng đột biến, cung cấp những thông tin giá trị cho việc bảo tồn và khai thác nguồn gen.

4.1. Nguyên lý chọn lọc nhờ đánh dấu phân tử MAS trong nông nghiệp

Nguyên lý của MAS dựa trên mối liên kết chặt chẽ giữa một đoạn ADN dễ nhận biết (chỉ thị) và một gen quy định tính trạng mong muốn (ví dụ: gen kháng bệnh bạc lá). Khi gen và chỉ thị nằm gần nhau trên nhiễm sắc thể, chúng có xu hướng di truyền cùng nhau. Bằng kỹ thuật PCR (Polymerase Chain Reaction), các nhà khoa học có thể khuếch đại và phát hiện sự có mặt của đoạn ADN chỉ thị, từ đó suy ra sự hiện diện của gen kháng bệnh. Phương pháp này giúp tăng hiệu quả chọn lọc, đặc biệt với các tính trạng khó đánh giá bằng kiểu hình, và là một công cụ không thể thiếu trong chọn tạo giống lúa hiện đại.

4.2. Ứng dụng chỉ thị SSR và STS để xác định gen kháng Xa4 Xa7 Xa21

Luận án đã ứng dụng thành công các chỉ thị phân tử đặc hiệu để sàng lọc các dòng đột biến. Ví dụ, chỉ thị pTA248 được sử dụng để phát hiện gen Xa21, một gen có phổ kháng rất rộng. Các chỉ thị SSR như RM224 được dùng để kiểm tra gen Xa4. Việc sử dụng đồng thời nhiều chỉ thị cho phép các nhà nghiên cứu không chỉ xác nhận sự tồn tại của gen kháng mà còn có thể tạo ra các dòng mang tổ hợp nhiều gen kháng khác nhau, hướng tới mục tiêu tạo ra các giống lúa cải tiến có sức đề kháng của cây trồng bền vững trước sự biến đổi liên tục của các chủng vi khuẩn gây bệnh.

V. Kết quả luận án Các giống lúa kháng bệnh bạc lá năng suất cao

Kết quả nghiên cứu của luận án đã mang lại những thành tựu đột phá, hiện thực hóa mục tiêu đề ra. Từ hàng nghìn dòng đột biến được tạo ra, qua quá trình sàng lọc nghiêm ngặt kết hợp giữa đánh giá đồng ruộng và đánh dấu phân tử, luận án đã chọn tạo thành công 5 dòng lúa đột biến triển vọng nhất. Các dòng này không chỉ duy trì và biểu hiện tốt tính kháng Xa với các chủng Xanthomonas oryzae pv. oryzae phổ biến tại miền Bắc, mà còn cho thấy sự cải thiện vượt bậc về năng suất nông nghiệp và chất lượng hạt gạo. Năng suất thực thu của các dòng triển vọng đạt từ 6-7 tấn/ha, cao hơn đáng kể so với các giống đối chứng. Đặc biệt, một số dòng còn có đặc tính nông học ưu việt như thời gian sinh trưởng ngắn, cứng cây, chống đổ tốt, phù hợp với các kỹ thuật canh tác tiên tiến. Những giống lúa cải tiến này là minh chứng rõ ràng cho hiệu quả của việc kết hợp phương pháp đột biến và công nghệ sinh học nông nghiệp, mở ra cơ hội lớn để đưa vào sản xuất, nâng cao thu nhập cho người dân và góp phần vào nền nông nghiệp bền vững.

5.1. Đặc điểm nông sinh học của các dòng lúa đột biến triển vọng

Năm dòng lúa đột biến triển vọng, bao gồm dòng D14, thể hiện nhiều đặc điểm nông sinh học ưu tú. So với giống gốc, các dòng này có thời gian sinh trưởng được rút ngắn, chiều cao cây hợp lý giúp tăng khả năng chống đổ. Các yếu tố cấu thành năng suất như số bông/khóm, số hạt chắc/bông và khối lượng 1000 hạt đều được cải thiện rõ rệt. Quan trọng nhất, phản ứng kháng với các chủng vi khuẩn gây bệnh cháy bìa lá được duy trì ổn định qua các vụ thử nghiệm, khẳng định sự hiệu quả của gen kháng bệnh bạc lá mà chúng mang trong mình. Đây là những tiền đề quan trọng để phát triển thành giống thương mại.

5.2. Phân tích chất lượng hạt gạo và tiềm năng thương mại hóa

Bên cạnh năng suất, chất lượng hạt gạo cũng là một chỉ tiêu được chú trọng. Các phân tích cho thấy một số dòng đột biến có chất lượng cơm ngon hơn, hạt gạo trong, dài và tỷ lệ bạc bụng thấp hơn so với giống gốc. Ví dụ, dòng D14 có chất lượng gạo và cơm được đánh giá tốt, đáp ứng được thị hiếu tiêu dùng hiện nay. Những cải tiến này không chỉ giúp nâng cao giá trị kinh tế của hạt gạo mà còn tăng tính cạnh tranh trên thị trường. Với những ưu điểm vượt trội cả về năng suất, khả năng kháng bệnh và chất lượng, các dòng lúa này có tiềm năng lớn để được công nhận và đưa vào sản xuất trên diện rộng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Theo dự báo, dân số thế giới sẽ tăng từ 7,6 tỷ (3/2018) lên khoảng 9 tỷ vào năm 2050, mà đa số xảy ra ở những nƣớc đang phát triển (https://en.org/wiki/World population). Việc đảm bảo cung cấp lƣơng thực, thực phẩm cho khoảng 9 tỷ ngƣời là một thách thức lớn trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên đang bị khai thác quá mức và sử dụng lãng phí, chƣa kể tác động ngày càng lớn của thiên tai. Biến đổi khí hậu có thể làm sản lƣợng nông sản, gây tổn thất đến 50% hoặc thậm chí mất trắng. Nếu không có các biện pháp đối phó, cũng nhƣ những hành động khẩn cấp, tích cực thì nền an ninh lƣơng thực sẽ bị đe dọa.

Vì thế, nhiệm vụ cấp thiết đặt ra cho các nhà khoa học trong lĩnh vực nông nghiệp hiện nay đó là tạo ra các giống cây trồng mới thích ứng với biến đổi khí hậu và đảm bảo an ninh lƣơng thực. Ở miền Bắc nƣớc ta, bệnh bạc lá là một trong những đối tƣợng gây hại thƣờng xuyên và nghiêm trọng trên cây lúa. Một số giống đang đƣợc trồng phổ biến trong sản xuất bị nhiễm nặng bệnh bạc lá. Thƣờng thì các giống kháng bạc lá tốt thì năng suất và phẩm chất không đạt yêu cầu và ngƣợc lại, các giống có năng suất phẩm chất tốt lại không kháng bệnh.

Trong những năm gần đây, có rất nhiều đề tài nghiên cứu chọn tạo giống lúa kháng bạc lá dựa trên các phép lai hữu tính và chỉ thị phân tử. Có nhiều sản phẩm của các đề tài là các dòng/giống lúa mang gen kháng bạc lá, thích ứng tốt với ngoại cảnh tuy nhiên năng suất và chất lƣợng chƣa thực sự đáp ứng nhu cầu của sản xuất cũng nhƣ thị hiếu tiêu dùng. Trong khi đó, đột biến đƣợc đánh giá là phƣơng pháp chọn tạo giống cây trồng dễ áp dụng, nhanh chóng và hiệu quả. Không giống nhƣ phƣơng pháp lai hữu tính, đột biến có ƣu điểm đó là giúp cải tiến một số đặc điểm của giống mà không làm mất đi các tính trạng tốt vốn có 2 (Pathirana, 2011).

Nếu sử dụng phƣơng pháp đột biến để cải tiến tính trạng năng suất, chất lƣợng của các dòng lúa mang gen kháng bạc lá, đồng thời dùng chỉ thị phân tử để hỗ trợ chọn lọc gen kháng sẽ tăng khả năng thành công. Chính vì vậy, luận án “Nghiên cứu nâng cao năng suất, chất lƣợng một số dòng lúa kháng bệnh bạc lá bằng phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử” đƣợc thực hiện với mong muốn chọn tạo đƣợc giống lúa kháng bạc lá, năng suất và chất lƣợng tốt phục vụ cho sản xuất. Mục tiêu nghiên cứu Cải tiến năng suất (đạt 6 – 7 tấn /ha) và một hoặc nhiều chỉ tiêu chất lƣợng (mùi thơm, độ trắng, độ mềm dẻo, vị ngon) các dòng lúa kháng bạc lá bằng phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử. Đối tƣợng nghiên cứu Các dòng/giống lúa kháng bệnh bạc lá, nhƣng còn hạn chế về năng suất và chất lƣợng.

Phạm vi nghiên cứu Các nghiên cứu thuộc lĩnh vực Khoa học Nông nghiệp, chuyên ngành Di truyền và Chọn giống cây trồng. Địa điểm thực hiện đề tài luận án - Viện Di truyền Nông nghiệp, Bắc Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam - Trung tâm nghiên cứu Hạt nhân Wakasa-wan, Fuikui, Nhật Bản - Các thí nghiệm đồng ruộng đƣợc thực hiện tại Hà Nội và Thái Bình 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học của luận án Từ các kết quả thu đƣợc, nổi bật nhất là các dòng lúa triển vọng kháng bạc lá, có năng suất và chất lƣợng đƣợc cải thiện đã khẳng định tính hiệu quả của việc kết hợp phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử 3 trong cải tiến giống cây trồng, từ đó tạo cơ sở để các nhà chọn giống đột biến khác có thể nghiên cứu và áp dụng.

Ý nghĩa thực tiễn của luận án Đề tài đã chọn tạo đƣợc 5 dòng lúa đột biến triển vọng kháng bạc lá, năng suất cao (6- 7 tấn/ha), một số chỉ tiêu chất lƣợng đƣợc cải thiện. Ngoài ra, kết quả gồm 52 dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống sẽ là nguồn vật liệu giá trị, có thể đƣợc khai thác, sử dụng cho các mục đích chọn tạo giống khác nhau. Đóng góp mới của luận án Đóng góp lớn nhất của luận án cho thực tiễn sản xuất và nghiên cứu đó là 5 dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc lá có triển vọng (năng suất 6 – 7 tấn/ha, chất lƣợng đƣợc cải tiến) và tập đoàn 52 dòng đột biến vật liệu. Ngoài ra, luận án cũng đã phân tích đƣợc sai khác giữa các dòng đột biến ở mức độ phân tử thông qua nghiên cứu đánh giá bằng chỉ thị SSR và giải trình tự gen.

4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI 1. Đột biến trong nghiên cứu, chọn tạo giống cây trồng 1. Phân loại các tác nhân gây đột biến Nhìn chung, các tác nhân gây đột biến có thể chia thành ba loại sau: các tác nhân hóa học (bao gồm hợp chất vô cơ, hữu cơ, các hóa chất gây ung thƣ, khói thuốc, các loại thuốc chữa bệnh.); các tác nhân vật lý (các bức xạ ion hóa – tia gamma, tia Rơnghen…; bức xạ điện từ; điện trƣờng; sóng siêu âm; nhiệt độ; khói bụi….); các tác nhân sinh học (các hormone tăng trƣởng, các tác nhân xâm nhiễm nhƣ nấm, vi khuẩn, virut…. Dựa vào khả năng ion hóa vật chất bị nhiễm xạ, có thể chia tác nhân gây đột biến thành 2 nhóm: 1) Nhóm bức xạ ion hóa: là bức xạ gây phản ứng hóa phóng xạ, tạo ra các cặp ion hóa trong môi trƣờng mà chúng thâm nhập hoặc gây ra sự kích động phân tử nhƣ: bức xạ điện tử electron, proton, tia α hay bức xạ không mang điện nơtron, tia Gamma (γ), tia Rơnghen (tia X).

2) Nhóm bức xạ không gây ion hóa: Đại diện cho nhóm này là tia tử ngoại, có độ dài bƣớc sóng từ 10-7 – 10-5 A0. Do có năng lƣợng thấp, sức xuyên thấu yếu nên khi xuyên qua các mô của cơ thể sinh vật, nó không gây ion hóa mà chỉ kích động phân tử và thƣờng đƣợc dùng để xử lý hạt phấn và bào tử. Thậm chí, trong những năm gần đây, Trung Quốc còn đƣa ra khái niệm “đột biến vũ trụ”. Theo đó, các nhà khoa học Trung Quốc đã đƣa hạt giống lên tàu vệ tinh Shijian 8, và giải thích rằng dựa vào tác động của các bức xạ vũ trụ, môi trƣờng không trọng lực, chân không và siêu sạch, sẽ tạo nên các thay đổi của vật liệu nghiên cứu (Liu và cs.

Các tác nhân hoá học đa dạng hơn nhiều về chủng loại so với tác nhân lý học, nhƣng nhƣợc điểm của chúng là phức tạp trong xử lý và 5 không an toàn cho ngƣời sử dụng. Vì vậy, hiện nay, các tác nhân vật lý ngày càng đƣợc ƣu tiên nghiên cứu và sử dụng hơn (FAO/IAEA, 2011). Bức xạ ion beam trong chọn tạo giống cây trồng Ngoài một số tác nhân phổ biến nhƣ tia X, tia gamma, hạt α, hạt nơtron. thì ngày nay, các nhà khoa học trong lĩnh vực này đã bắt đầu tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng bức xạ ion của các nguyên tố Li, C, H, Ar, He, Ne.

trong lĩnh vực chọn tạo giống (Shikazono và cs., 2003; Tanaka và cs., 2010; Yu và cs. Đi đầu trong việc áp dụng phƣơng pháp này phải kể đến Nhật Bản và Trung Quốc, theo đó đã có thống kê thấy rằng các nhà khoa học Nhật Bản đã bắt đầu các thử nghiệm ion beam trên đối tƣợng cây trồng từ năm 1993. Các nhà khoa học Nhật Bản, Trung Quốc đã có nhiều nghiên cứu về liều lƣợng chiếu cũng nhƣ ảnh hƣởng của các liều chiếu đến việc tạo ra các đột biến. Các nghiên cứu đa phần sử dụng ion beam của nguyên tử C, He hoặc Ne và kết quả cho thấy ở liều từ 10-60Gy thì tạo ra đƣợc các đột biến mong muốn (Tanaka và cs.

Nhiều nghiên cứu sâu về sự thay đổi ở mức độ phân tử đều nhận định rằng ion beam là dạng bức xạ có hệ số truyền năng lƣợng cao, có khả năng tạo ra sự xáo trộn lớn trong hệ gen, tạo nên những thiệt hại lớn trên ADN mà cơ thể không thể tự sửa chữa (Isikawa và cs., 2012; Yu và cs. Việc so sánh hiệu quả gây đột biến giữa tia gamma và bức xạ ion beam đã đƣợc rất nhiều tác giả nghiên cứu và cho rằng chiếu xạ bằng bức xạ ion beam tạo ra phổ đột biến rộng hơn so với chiếu xạ bằng tia gamma (Shikazono và cs., 2003), nhƣng về tần số đột biến thì chƣa thấy tác giả đề cập đến. Ứng dụng bức xạ ion trong chọn tạo giống cây trồng: bức xạ ion đƣợc cho rằng tạo ra nhiều đột biến đồng thời không ảnh hƣởng nhiều 6 đến sức sinh trƣởng của cây trồng khi chiếu ở liều thấp, chính vì thế bức xạ ion beam là một công cụ tuyệt vời, cho hiệu quả cao trong chọn giống đột biến (Abe và cs.) và đã đƣợc ứng dụng thành công trong chọn giống lúa có hàm lƣợng Cadmium (Cd) thấp (Ishikawa và cs. Một số tác giả nghiên cứu hiệu quả của các bức xạ ionbeam (ion carbon có hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính trung bình là 76 và 107 keV / mm) trên cây lúa bằng cách so sánh tỷ lệ chết, tỷ lệ lép, tỷ lệ đột biến và phổ đột biến đã kết luận rằng tỷ lệ đột biến của các bức xạ ion cao hơn của các tia gamma; tuy nhiên, không có sự khác biệt đáng kể giữa các tác nhân về tần suất và phổ đột biến (Yamaguchi và cs.

Nghiên cứu tác động của bức xạ ionbeam lên cây trồng ở mức độ phân tử cho thấy các đột biến gây ra bởi bức xạ ionbeam có khá nhiều đột biến là các đột biến lớn trên cấu trúc ADN và chỉ có một số là đột biến điểm; các thiệt hại lớn trên ADN là không thể khắc phục, và các đột biến đó thƣờng không có ý nghĩa đối với chọn giống nhƣng lại có tiềm năng tạo ra các giống, loài mới (Tanaka và cs. Khi chiếu bức xạ ionbeam lên các vật liệu sống là hạt và mô của cây chỉ thị đã thu đƣợc hàng ngàn các đột biến khác nhau; điều đó cũng khẳng định, bức xạ ion cho phổ đột biến rất rộng nên việc ứng dụng bức xạ ion rất có ý nghĩa trong việc nghiên cứu chức năng gen mà còn trong lĩnh vực chọn giống cây trồng (Magori và cs.