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.