Tài liệu Luận văn thạc sĩ sinh học nghiên cứu sự phát sinh đột biến ở thế hệ m2 của một số dòng lúa chịu hạn.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM Nguyễn Thị Như Ý NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT SINH ĐỘT BIẾN Ở THẾ HỆ M2 CỦA MỘT SỐ DÒNG LÚA CHỊU HẠN LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM Nguyễn Thị Như Ý NGHIÊN CỨU SỰ PHÁT SINH ĐỘT BIẾN Ở THẾ HỆ M2 CỦA MỘT SỐ DÒNG LÚA CHỊU HẠN Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Mã số: 60 42 30 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN THỊ MONG Thành phố Hồ Chí Minh – 2012 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ Sinh học với đề tài “ Nghiên cứu sự phát sinh đột biến ở thế hệ M2 của một số dòng lúa chịu hạn” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thị Mong. Tôi xin cam đoan tất cả các số liệu và hình ảnh trong đề tài hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi tiến hành bảo vệ trước Hội Đồng Khoa Học. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2012 Nguyễn Thị Như Ý Học viên Cao học khóa 21 Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Trường Đại học Sư phạm Tp. Hồ Chí Minh ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành xong luận văn và khóa học, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: TS. Nguyễn Thị Mong – giảng viên khoa Sinh học trường Đại Học Sư Phạm TPHCM – người thầy đã hết lòng tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Các thầy cô khoa Sinh học trường Đại Học Sư Phạm TPHCM đã tận tình dạy bảo và tạo điều kiện cho em trong suốt thời gian học tập. Dì út Kẹp nhà ở ấp Phú Lợi, xã Tân Phú Trung, huyện Củ Chi đã giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình gieo trồng. Ban Giám Hiệu và thầy cô tổ Sinh trường THPT Trung Phú đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành tốt khóa học. Các anh chị trong lớp sinh học thực nghiệm K21, đã giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian học tập và thực hiện đề tài. Sau cùng, xin gửi lời biết ơn đến gia đình đã thương yêu, động viên và tạo điều kiện về vật chất và tinh thần để con yên tâm hoàn thành tốt khóa học. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô, gia đình và bạn bè. Thành phố Hồ Chí Minh năm 2012 iii MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan ............................................................................................................. i Lời cám ơn ............................................................................................................... ii Mục lục .................................................................................................................... iii Danh mục các kí hiệu, chữ viết tắt .......................................................................... vi Danh mục các bảng ................................................................................................ vii Danh mục biểu đồ ................................................................................................. viii Danh mục các hình .................................................................................................. ix MỞ ĐẦU ..................................................................................................................1 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ....................................................................3 1.1. Lịch sử nghiên cứu tác dụng gây đột biến của tia gamma trên lúa trồng........3 1.1.1. Trên thế giới .............................................................................................3 1.1.2. Ở Việt Nam ..............................................................................................3 1.2. Cơ chế tác động của tia gamma lên quá trình sinh trưởng và phát triển của lúa trồng. ..................................................................................................4 1.2.1.Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ phân tử (tác động lên phân tử ADN) ....................................................................................4 1.2.2.Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ tế bào ...............5 1.3. Triển vọng của ngành chọn giống bằng đột biến ...............................................9 1.4. Sơ lược về nguồn gốc của cây lúa Oryza sativa L. (2n =24) .............................9 1.5. Các vùng trồng lúa chính ở Việt Nam .............................................................13 1.5.1. Đồng bằng sông Hồng ............................................................................13 1.5.2. Đồng bằng ven biển miền Trung ............................................................14 1.5.3. Đồng bằng sông Cửu Long ....................................................................14 1.6. Sự di truyền một số tính trạng hình thái – sinh lý ............................................15 1.6.1. Sự di truyền một số tính trạng hình thái .................................................15 1.6.2.Sự di truyền một số tính trạng sinh lý .....................................................19 iv 1.7. Một số thành tựu về chọn giống lúa mới bằng đột biến thực nghiệm trên thế giới và Việt Nam ..............................................................................................21 1.7.1.Trên thế giới ............................................................................................21 1.7.2.Ở Việt Nam .............................................................................................22 Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................24 2.1. Đối tượng nghiên cứu.......................................................................................24 2.2. Phương pháp nghiên cứu:.................................................................................24 2.2.1. Qui trình thực hiện thí nghiệm ngoài đồng ruộng:.................................24 2.2.2. Phương pháp quan sát, mô tả hình thái và thu thập số liệu ở M 2 ..........25 2.2.3. Phương pháp tính tần số biến dị đột biến phát sinh ở M 2 ......................26 2.2.4. Phương pháp khảo sát các dòng đột biến có giá trị ở M 3 ......................27 2.3. Địa điểm và thời gian nghiên cứu ....................................................................27 2.3.1. Địa điểm nghiên cứu ..............................................................................27 2.3.2. Thời gian nghiên cứu .............................................................................27 Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................28 3.1. Ảnh hưởng kéo dài của liều chiếu xạ nguồn Co60 lên tỉ lệ sống sót thời kỳ mạ, đẻ nhánh và trổ chín trên các giống lúa nghiên cứu ở M 2 ................................28 3.2. Sự phát sinh một số biến dị hình thái ở M 2 do xử lý bằng tia gamma (nguồn Co60) trên các giống lúa nghiên cứu .................................................................32 3.2.1. Đột biến về chiều cao cây ......................................................................32 3.2.2. Biến dị kích thước bông .........................................................................39 3.2.3.Biến dị cách xếp hạt trên bông ................................................................46 3.2.4. Biến dị lá đòng .......................................................................................51 3.2.5.Biến dị thay đổi kích thước lá đòng ........................................................55 3.3.Biến dị về sinh trưởng và phát triển ở M 2 dưới tác dụng của tia gamma (nguồn Co60) ..................................................................................................................58 3.3.1. Biến dị về khả năng đẻ nhánh ................................................................58 3.4. Biến dị về thời gian sinh trưởng .......................................................................66 3.4.1.Biến dị chín sớm .....................................................................................67 v 3.4.2. Biến dị chín muộn ..................................................................................69 3.5. Sự phát sinh biến dị về các yếu tố cấu thành nên năng suất ở M2 dưới tác dụng của tia gamma nguồn Co60................................................................................71 3.5.1. Biến dị tăng số nhánh hữu hiệu trên bông..............................................71 3.5.2. Biến dị kích thước hạt ............................................................................73 3.6. Đặc điểm nông sinh học của các dạng biến dị có giá trị ở M3 ........................77 3.6.1.Đặc điểm nông sinh học của thể biến dị chín sớm ở 10CH ...................77 3.6.2. Đặc điểm nông sinh học của thể biến dị đẻ nhánh khỏe ở 207CH .......79 3.6.3. Đặc điểm nông sinh học của thể biến dị hạt to ở 208CH ......................81 Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................83 4.1. Kết luận ............................................................................................................83 4.2. Kiến nghị ..........................................................................................................84 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................85 PHỤ LỤC .................................................................................................................x vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT BD Biến dị CH Chịu hạn DMS Dimethyl sulfate ĐB Đột biến ĐC Đối chứng FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp thế giới IAEA Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế NSLT Năng suất lý thuyết NST SL Nhiễm sắc thể Số lượng TGST Thời gian sinh trưởng TLSS Tỉ lệ sống sót tr Trang VD Ví dụ vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 TLSS qua các thời kì sinh trưởng và phát triển của các giống lúa nghiên cứu ở M 2 ................................................................................................ 29 Bảng 3.2 Sự phát sinh đột biến thấp cây ở M 2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 ........................................................................................................ 33 Bảng 3.3 Sự phát sinh đột biến cao cây ở M 2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 ........................................................................................................ 36 Bảng 3.4 Sự phát sinh đột biến tăng chiều dài bông ở M 2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 ................................................................................ 40 Bảng 3.5 Sự phát sinh đột biến giảm chiều dài bông ở M 2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 ................................................................................ 43 Bảng 3.6 Sự phát sinh đột biến hạt xếp xít ở M 2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 ............................................................................................. 46 Bảng 3.7 Sự phát sinh đột biến kiểu hình bông chụm dưới tác dụng của tia gamma (nguồn Co60) ............................................................................. 49 Bảng 3.8 Sự phát sinh đột biến góc lá đòng hẹp ở M 2 do tác động của tia gamma (Co60) ở các giống lúa nghiên cứu. ........................................................ 52 Bảng 3.9 Sự phát sinh đột biến kích thước lá đòng ở M 2 do tác dụng của tia gamma (nguồn Co60) ............................................................................. 55 Bảng 3.10 Sự phát sinh đột biến khả năng đẻ nhánh ở M 2 dưới tác dụng của tia gamma (nguồn Co60) ở các giống nghiên cứu. ...................................... 59 Bảng 3.11 Sự phát sinh đột biến về thời gian sinh trưởng dưới tác dụng của tia gamma (nguồn Co60) ............................................................................. 67 Bảng 3.12 Sự phát sinh đột biến tăng nhánh hữu hiệu ở M 2 dưới tác dụng của tia gamma nguồn Co60 ................................................................................ 71 Bảng 3.13 Sự phát sinh đột biến kích thước hạt ở M 2 dưới tác dụng tia gamma nguồn Co60 ............................................................................................. 74 Bảng 3.14 Đặc điểm nông sinh học của dạng đột biến chín sớm ở 10CH ............................................................................................................... 78 Bảng 3.15 Đặc điểm nông sinh học của dạng đột biến đẻ nhánh khỏe ở 207CH ... 80 Bảng 3.16 Đặc điểm nông sinh học của dạng đột biến hạt to ở 208CH ................. 82 viii DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 3.1 Biểu đồ tỉ lệ sống sót thời kì mạ ....................................................... 29 Biểu đồ 3.2 Biểu đồ tỉ lệ sóng sót thời kì đẻ nhánh .............................................. 30 Biểu đồ 3.3 Biểu đồ tỉ lệ sống sót thời kì trỗ - chín .............................................. 30 Biểu đồ 3.4 Biểu đồ tần số đột biến cây thấp ở M 2 .............................................. 34 Biểu đồ 3.5 Biểu đồ tần số đột biến cây cao ở M 2 ............................................... 36 Biểu đồ 3.6. Biểu đồ tần số đột biến bông dài ở M 2 ............................................. 40 Biểu đồ 3.7 Biểu đồ tần số đột biến bông ngắn ở M 2 .......................................... 44 Biểu đồ 3.8 Biểu đồ đột biến hạt xếp sít ở M 2 ..................................................... 47 Biểu đồ 3.9 Biểu đồ tần số đột biến kiểu bông chụm ở M 2 ................................. 50 Biểu đồ 3.10 Biểu đồ tần số đột biến góc lá đòng ở M 2 ......................................... 53 Biểu đồ 3.11 Biểu đồ tần số đột biến tăng chiều dài lá đòng ở M 2 ........................ 56 Biểu đồ 3.12 Biểu đồ tần số đột biến giảm chiều rộng lá đòng ở M 2 .................... 57 Biểu đồ 3.13 Biểu đồ tần số đột biến đẻ nhánh nhiều ở M 2 ................................... 60 Biểu đồ 3.14 Biểu đồ tần số đột biến đẻ nhánh ít ở M 2 ......................................... 64 Biểu đồ 3.15 Biểu đồ tần số đột biến chín sớm ở M 2 ............................................. 68 Biểu đồ 3.16 Biểu đồ tần số đột biến chín muộn ở M 2 .......................................... 70 Biểu đồ 3.17 Biểu đồ tần số đột biến tăng nhánh hữu hiệu ở M 2 .......................... 72 Biểu đồ 3.19 Biểu đồ tần số đột biến hạt nhỏ ở M 2 ............................................... 76 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 3.1 Đột biến thấp cây ở 208CH ................................................................... 34 Hình 3.2 Đột biến cây thấp ở 7CH ...................................................................... 35 Hình 3.3 Đột biến cao cây ở 208CH .................................................................... 37 Hình 3.4 Đột biến cây cao ở 7CH ........................................................................ 38 Hình 3.5 Đột biến bông dài ở 7CH....................................................................... 42 Hình 3.6 Đột biến bông ngắn ở 7CH .................................................................... 45 Hình 3.7 Đột biến hạt xếp sít ở 10CH .................................................................. 48 Hình 3.8 Đột biến hạt xếp sít ở 208CH ................................................................ 49 Hình 3.9 Đột biến bông chụm ở 207CH............................................................... 51 Hình 3.10 Đột biến lá đòng hẹp ở 10CH ................................................................ 54 Hình 3.11 Đột biến góc lá đòng thẳng ở 207CH .................................................... 54 Hình 3.12 Đột biến tăng chiều dài lá đòng ở 7CH ................................................. 57 Hình 3.13 Đột biến làm giảm chiều rộng lá đòng ở 10CH..................................... 57 Hình 3.14 Đột biến đẻ nhánh nhiều ở 208CH ........................................................ 61 Hình 3.15 Đột biến đẻ nhánh nhiều ở 10CH .......................................................... 62 Hình 3.16 Đột biến đẻ nhánh nhiều ở 7CH ............................................................ 62 Hình 3.17 Đột biến đẻ nhánh nhiều ở 207CH ........................................................ 63 Hình 3.18 Đột biến đẻ nhánh ít ở 10CH ................................................................. 65 Hình 3.19 Đột biến đẻ nhánh ít ở 208CH ............................................................... 65 Hình 3.20 Đột biến chín sớm ở 10CH .................................................................... 68 Hình 3.21 Đột biến chín muộn ở 208CH ............................................................... 70 Hình 3.22 Đột biến tăng nhánh hữu hiệu ở 10CH .................................................. 73 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Lúa là cây lương thực lâu đời nhất, phổ biến nhất. Trên thế giới, về mặt diện tích lúa đứng hàng thứ hai sau lúa mì, về tổng sản lượng nó đứng hàng thứ ba sau lúa mì và ngô. Có thể nói gạo là lương thực chính của hơn 2 tỉ người sống ở châu Á và hàng trăm triệu người sống ở các châu lục khác. Theo số liệu của tổ chức Lương Nông quốc tế (FAO), lúa được trồng ở 112 nước trên thế giới với tổng diện tích gieo trồng trên 184 triệu ha trong đó 90% tổng diện tích tập trung chủ yếu ở châu Á. Ở Việt Nam, cây lúa gắn liền với lịch sử phát triển gần 4000 năm của dân tộc. cây lúa là hình ảnh luôn đi kèm với nền văn minh sông Hồng, với nhiều truyền thuyết, lễ hội đời sống văn hóa của người Việt. Có thể nói lúa là cây lương thực chính trong mục tiêu phát triển nông nghiệp của Việt Nam để đảm bảo vững chắc an ninh lương thực quốc gia và xuất khẩu. Từ một nước thiếu đói quanh năm, Việt Nam đã phấn đấu trở thành quốc gia không chỉ đủ ăn mà còn là nước xuất khẩu lúa gạo đúng thứ 2 trên thế giới. Nhu cầu sản xuất lúa gạo ngày càng tăng để đảm bảo cho tiêu dùng trong nước và xuất khẩu. Với tổng diện tích trồng lúa chỉ khoảng 4,2 triệu ha nhưng không ngừng bị thu hẹp do sức ép từ việc đô thị hóa ngày càng tăng, bên cạnh đó sự thay đổi khí hậu toàn cầu cũng gây ảnh hưởng không ít đến khả năng sản xuất lúa gạo của nhà nông. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, đời sống của người dân ngày một nâng cao, nhu cầu về lương thực không chỉ đòi hỏi ở mức độ đủ mà phải đảm bảo được chất lượng ngon và bổ dưỡng. Để góp phần cung cấp nguồn nguyên liệu cho việc chọn, tạo ra những giống lúa có năng suất cao, phẩm chất tốt, chúng tôi đã chọn đề tài “ Nghiên cứu sự phát sinh đột biến ở thế hệ M2 của một số dòng lúa chịu hạn”. 2 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của tia gamma Co60 đến đặc điểm nông sinh học của một số dòng lúa. - Nghiên cứu các đột biến phát sinh ở thế hệ M2 của một số dòng lúa chịu hạn nhằm xác định các biến dị có lợi đáp ứng được yêu cầu trong việc nghiên cứu tạo giống lúa mới. 3. Nội dung nghiên cứu - Theo dõi, phát hiện và ghi nhận những biến dị có lợi, Tính tần số biến dị. - Tiến hành chọn lọc các biến dị có lợi. - So sánh và đánh giá một số chỉ tiêu nông - sinh học (hình thái, sinh lý) giữa giống lúa đối chứng và các dạng biến dị đã phát hiện được sau khi xử lý phóng xạ. 4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu - Xác định tần số xuất hiện các biến dị ở M2 qua các giai đoạn mạ, giai đoạn trưởng thành. - Xác định những đặc điểm hình thái, sinh lý của các dạng biến dị so với giống lúa đối chứng. - Chọn lọc một số biến dị có ý nghĩa. 5. Ý nghĩa của đề tài Ý nghĩa lý luận: - Góp phần làm sáng tỏ ảnh hưởng của tia γ Co60 đến các tính trạng về hình thái, sinh lý, ở một số dòng lúa chịu hạn. - Làm cơ sở cho công tác chọn lọc một số dòng lúa mang các tính trạng tốt (năng suất cao và phẩm chất tốt). Ý nghĩa thực tiễn: - Phát hiện được các biến dị có lợi về mặt năng suất và chất lượng, nhằm cung cấp các dòng lúa mới mang lại hiệu quả cho người dân trong tương lai. - Đề xuất phương hướng sử dụng các biến dị có ý nghĩa trong công tác sản xuất đại trà 3 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Lịch sử nghiên cứu tác dụng gây đột biến của tia gamma trên lúa trồng Vào khoảng năm 1996 đã có các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của bức xạ ion hóa trên cây lúa nước được tiến hành. Trải qua gần một thế kỉ, các nhà khoa học đã tìm thấy có nhiều tác nhân gây đột biến nhưng tia gamma luôn là tác nhân vật lý được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất. Có thể sơ lược các công trình nghiên cứu tác dụng gây đột biến của tia gamma như sau: 1.1.1. Trên thế giới Các nhà khoa học Nhật Bản: Nakamura (1918), Hamura (1919 – 1944), Saiki (1936), Yamaguchi và Andro Juji (1962),Yamada (1971), đã tiến hành nghiên cứu xử lý tia gamma trên hạt khô ở các liều lượng khác nhau của 24 thứ lúa trồng và đã xác định được LD 50 của các thứ lúa thuộc loài phụ Japonica là 40 – 50 kR còn của loài phụ Indica là hơn 50 kR [1] [21]. Theo KD Sharma (1985) nghiên cứu cho thấy liều lượng gây chết 50% kí hiệu là LD 50 (lethal dose 50%) của lúa là 24 – 40 kR, trung bình là 32,5 kR [10]. Các tác giả khác như: Wang 1961, Simon 1963, Hedenson 1963 đều thu được kết quả nghiên cứu tương tự. Các tác giả như: Kawai (1965 – 1966), Guud và Fushuhara (1967), Janaka và Stamura (1968), Siddig và Swaminathan (1968 – 1969) đã nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma (nguồn Co60) khi xử lý hạt ướt (hạt thấm nước, hạt ngâm nước bão hòa) thu được kết quả cho thấy rằng hạt ướt có độ cảm ứng phóng xạ cao hơn, cho tần số đột biến về hình thái, sinh trưởng và phát triển cao hơn so với xử lý hạt khô. [1] [18] Các tác giả Savin, Sawanninathan, Sharma (1968) đã chiếu tia gamma (nguồn Co60) vào hạt lúa hút nước bão hòa hoặc hạt nảy mầm để nghiên cứu tần số và phổ đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể. 1.1.2. Ở Việt Nam Các công trình nghiên cứu theo hướng gây đột biến bằng tia gamma trên hạt khô của các tác giả như: Nguyễn Minh Công (1968), Trịnh Bá Hữu, Lê Duy Thành (1969 – 4 1970), Trần Minh Nam (1978), Trần Duy Quý (1983, 1987, 1989…). Hầu hết các tác giả đều đề cập đến hiệu quả gây đột biến của tia gamma khi xử lý hạt khô. Trần Duy Quý đã có công trình nghiên cứu (1982 – 1985) khi xử lý tia gamma trên hạt ẩm và hạt nứt nanh của lúa IR8, IR22, C4 – 63 … rồi cố định rễ mầm ở các thời điểm khác nhau, đã xác định được mối quan hệ giữa thời điểm cố định và tần số, phổ sai hình nhiễm sắc thể. Đào Xuân Tân (1995) [18], nghiên cứu sự phát sinh các đột biến lặn ở M2 khi xử lý tia gamma (nguồn Co60) vào các thời điểm khác nhau của hạt nảy mầm ở 5 giống lúa nếp đã đi đến kết luận rằng: - Phóng xạ vào thời điểm 72 giờ hoặc 75 giờ cho tổng tần số đột biến diệp lục cao nhất, trong số các kiểu đột biến diệp lục xuất hiện, phổ biến nhất là kiểu Albina. - Phóng xạ vào thời điểm 72 giờ và 75 giờ cho tần số đột biến lặn về hình thái, về sinh trưởng và phát triển cao nhất, đặc biệt là các đột biến có ý nghĩa trong chọn giống. Đỗ Hữu Ất (1996) đã nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma khi xử lý vào các thời điểm khác nhau của các hạt lúa nảy mầm thuộc 6 giống lúa Tám, đặc sản Việt Nam đã kết luận : chiếu xạ liều lượng 10 kR hoặc 15 kR vào các thời điểm nảy mầm 69 giờ hoặc 72 giờ cho tần số cao về các đột biến có ý nghĩa chọn giống. [1]. 1.2. Cơ chế tác động của tia gamma lên quá trình sinh trưởng và phát triển của lúa trồng. 1.2.1.Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ phân tử (tác động lên phân tử ADN) Theo Oganhexian (1969), tính đặc thù của sự phát sinh đột biến có liên quan đến đặc điểm của quá trình từ thời điểm bắt đầu xâm nhập của các tác nhân vào tế bào, vận động đến một thời điểm nào đó trên nhiễm sắc thể, rồi gây ra biến đổi cấu trúc phân tử của gen dẫn đến trở thành đột biến. Khi phóng xạ tia gamma vào dung dịch ADN sẽ gây ra những biến đổi chủ yếu sau: 5 - Gây đứt đơn: đứt 1 mạch của phân tử ADN làm ADN bị biến dạng, tạo cuộn, giảm thể tích phân tử. - Gây đứt kép: phân tử ADN bị giảm chiều dài, giảm cả độ nhớt của dung dịch. - Tạo cầu giữa các phân tử: làm tăng khối lượng phân tử, tăng độ nhớt, giảm độ hòa tan và tạo ra các búi không tan. - Tạo các phân tử phân nhánh: do sự gắn một số đoạn của các phân tử bị đứt vào phân tử khác còn nguyên vẹn. - Tạo liên kết protein – ADN, làm cho protein bị biến tính hay liên kết giữa bazơ pirimidin biến tính với các axit amin. - Phá hủy cấu trúc không gian của ADN (biến tính ADN) - Gây hiện tượng nhị trùng phân timin. - Phá hủy gốc dị vòng Nitơ. - Hydrat hóa các bazơ Nitơ. - Gây ra hiện tương hỗ biến: tia gamma làm thay đổi vị trí của nguyên tử hidro, dẫn tới sự hình thành gốc lactim hay timin, hậu quả là sự sao chép sai của ADN, tạo ADN đột biến ở các thế hệ sau.[4][13] 1.2.2.Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ tế bào *Tác động của tia gamma (nguồn Co60) lên cấu trúc nhiễm sắc thể Theo Xvenson [5], bức xạ ion hóa có thể gây nên sự phân đoạn của nhiễm sắc thể. Có 2 kiểu phân đoạn nhiễm sắc thể là: - Loại đứt thật: đứt rời thành từng khúc. - Loại tiềm tàng: chưa đứt rời mà ở trạng thái tiềm tàng, có thể chuyển sang đột biến sau một thời gian nhất định hoặc phục hồi lại trạng thái ban đầu. Crogodin và Lutxomic [19] lại cho rằng: phóng xạ ion hóa có thể hủy hoại nhiễm sắc thể một cách trực tiếp hoặc kéo dài. Nếu có các điều kiện tương ứng hoặc đủ về thời gian thì sự hủy hoại tiềm tàng có thể trở thành hiện thực và đột biến bắt đầu xuất hiện trong cấu trúc nhiễm sắc thể. 6 Nói chung khi xử lý các tác nhân phóng xạ ion hóa ở liều lượng trung bình cho tới liều lượng không quá ngưỡng chịu đựng của tế bào, thì ở kì sau của nguyên phân thấy xuất hiện cầu, đoạn, vòng khuyên,… Hiện tượng chuyển đoạn lớn và nhỏ hoặc đảo đoạn thường được phát hiện trong giảm phân, đó là sai hình nhiễm sắc thể. Mức độ sai hình nhiễm sắc thể thể hiện bằng các kiểu cấu trúc lại nhiễm sắc thể tăng dần theo chiều xạ.[1] *Tác động của tia gamma (nguồn Co60) lên quá trình phân chia tế bào: • Đối với nguyên phân, tia gamma có thể gây nên các hiệu quả sau: - Kìm hãm hay dừng tạm thời quá trình nguyên phân (kéo dài một pha nào đó trong chu kì tế bào). - Làm dừng hoàn toàn quá trình nguyên phân nhưng không gây chết tế bào mà làm mất khả năng phân chia tế bào. - Làm tăng độ nhớt và kết dính nhiễm sắc thể dẫn đến sự chết tế bào. - Gây hiện tượng “hậu kỳ đa cực” hậu quả của nó là gây hiện tượng sai hình nhiễm sắc thể một cách phức tạp (tạo cầu, đoạn, vòng,…) - Đôi khi bức xạ liều lượng thấp lại kích thích sự phân bào.[6] • Đối với giảm phân, năm 1958, khi dùng tia X gây bức xạ ion hóa ở Longiflorum , Mistra đã thu được kết quả như sau: - Gây sai hình nhiễm sắc thể ở diplonem: các bivalent có thể kết dính với nhau tạo thành vòng nhiễm sắc thể lớn, phần lớn các vòng này đều do chuyển đoạn phức tạp tạo nên. - Gây sai hình nhiễm sắc thể ở hậu kỳ I hoặc II. Các kiểu sai hình thường thấy trong giảm phân là: đứt nhiễm sắc thể, tạo 1 hoặc 2 đoạn nhiễm sắc thể và cầu nhiễm sắc thể; đứt chromatid, tạo ra sự lặp đoạn; tạo cầu chromatid, vòng và 2 đoạn do chuyển đoạn; đứt chromatid, tạo nên cầu chromatid, vòng chromatid ở trạng thái kép; tạo nhiễm sắc thể có 2 tâm và 2 đoạn, hình thành các đoạn riêng rẽ và cầu chromatid ở kỳ sau I (Mistra 1958, Sutka 1974, Nguyễn Minh Công và cộng sự 1975-1978) [6] 7 *Tác dụng của phóng xạ đối với thực vật Theo Kaidin và Linser xử lý thực vật bằng tác nhân phóng xạ có thể tiến hành theo các phương pháp sau: - Chiếu xạ hạt khô hoặc ướt. - Ngâm hạt trong dung dịch đồng vị phóng xạ. - Trồng cây trong đất có bón đồng vị phóng xạ - Đưa chất đồng vị phóng xạ vào cây. - Phóng xạ thực vật trong quá trình sinh trưởng, phát triển.[1] Ngày nay người ta còn chiếu xạ các cơ quan, bộ phận riêng rẽ của cây như: chồi, nụ hoa, bao phấn, bầu nhụy, hoặc xử lý cây đang trồng trong từng thời kỳ bằng trường gamma hoặc thiết bị chiếu xạ chuyên dụng của các trung tâm chiếu xạ. Hiệu quả của chiếu xạ thực vật ở thế hệ đầu thể hiện ở những biến đổi dương tính, đó là những biến đổi về cấu trúc, hình thái, sinh lý, sinh trưởng, sinh sản và gây chết. Người ta phân biệt tác dụng ngay sau khi xử lý phóng xạ (hiệu quả tức thời) với những biến đổi ngay sau khi xử lý phóng xạ (hiệu quả chậm hay hiệu quả kéo dài). Về hiệu quả tức thời có thể kể ra một số hình thức chủ yếu sau đây: - Biến đổi hóa sinh và lý hóa sinh - Biến đổi sinh lý giới hạn của một số cấu trúc trong vật liệu bị chiếu xạ. - Biến đổi vật chất di truyền. Về hiệu quả chậm, chiếu xạ gây ra các biến đổi nêu trên nhưng diễn ra suốt quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật. Đối với các loài thực vật, liều lượng thấp có tác dụng kích thích sinh trưởng, còn liều lượng cao quá giới hạn chịu đựng sẽ gây chết tế bào và cơ thể. Trên lúa, khi xử lý hạt khô bằng tia gamma ở các liều lượng 5kR, 10kR nhiều khi kích thích quá trình sinh trưởng và phát triển. [13] Cơ chế của sự kích thích sinh trưởng do xử lý phóng xã lên hạt khô được Kuzin A.M (1963) [1], [13] giải thích như sau: 8 - Ở liều lượng thấp, bức xạ gây nên sự hình thành các nhóm gốc hữu cơ tự do ở những khu vực nhất định trong tế bào (những khu vực mẫn cảm hơn so với bức xạ). Các gốc tự do này có thể tồn tại một thời gian nhất định; thường là khá dài trong điều kiện yếm khí, thiếu nước và không bị tác dụng trong điều kiện nhiệt độ tối thích. Theo tác giả, có thể là gốc tự do được hình thành trong cấu trúc của lipoprotein. Để hạt nảy mầm cần có đủ các điều kiện nhiệt độ, nước và không khí (oxy). Một lượng nước và oxy sẽ thấm vào màng hạt và tác dụng với các polyme tự do tạo nên một dây chuyền phản ứng như sau: R – H + OH → R· + H 2 O R· + O 2 → R – O – O R – O – O – + RH → R – O – OH + R· R – O – OR + H· - Ở đây sản phẩm tạo ra chính là chất tham gia và thúc đẩy phản ứng mới tạo điều kiện cho sự phát sinh các phản ứng dây chuyền oxi hóa trong cấu trúc lipoprotein tiếp theo. Kết quả dẫn đến phá hủy màng, nơi lưu trữ nhiều loại protein cần thiết cho sự nảy mầm của hạt và sự sinh trưởng của cây non: amilaza; proteaza; peroxydaza… những enzim này được giải phóng sẽ thúc đẩy các phản ứng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển [1]. Tác dụng của phóng xạ vào hạt có thể gây hiệu quả ở mọi giai đoạn trong quá trình phát triển cá thể: - Tác dụng trực tiếp đến chiều hướng và tốc độ các phản ứng sinh hóa, chi phối sự nảy mầm. - Tác dụng gây chết phôi mầm, đình chỉ ngay quá trình nguyên phân đầu tiên hoặc làm ngừng sự sinh trưởng của phôi. - Tác dụng xa hơn có thể ở những cấp độ khác nhau: • Kìm hãm một pha nào đó của quá trình nguyên phân, làm suy giảm sức sống của phôi mầm, lá mầm, rễ mầm, cuối cùng là gây chết ở ngay thời kỳ mạ, hoặc gây chết muộn hơn (thời kỳ đẻ nhánh, trổ chín) (Alice Sawvulescu, Becerescu 1970) [1]. 9 • Không gây chết ở thời kỳ muộn mà gây biến đổi về hình thái, sinh trưởng và phát triển 1.3. Triển vọng của ngành chọn giống bằng đột biến Ngay từ những năm 1970, cơ quan Năng Lượng Nguyên Tử quốc tế (IAEA) và tổ chức Nông Lương thế giới (FAO) đã tài trợ mở rộng hướng nghiên cứu gây đột biến cải tạo những giống cây nông nghiệp và cây công nghiệp nhiều nước trên thế giới nhằm tạo hàng loạt các giống mới như: lúa, lúa mì, lúa mạch, táo, chanh, mía, chuối và những loại cây trồng khác. Cho tới năm 2007 (FAO/IAEA Mutant Varieties Database), trên 2600 giống cây trồng đã được tạo ra bằng gây đột biến thực nghiệm trên phạm vi 62 nước. Việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để cải tiến cây trồng đã mang lại hiệu quả cực kì to lớn về kinh tế nông nghiệp. Cho đến nay ước tính hàng trăm tỷ đô la và hàng trăm triệu hecta gieo trồng bằng những giống cây trồng được tạo ra từ đột biến. 1.4. Sơ lược về nguồn gốc của cây lúa Oryza sativa L. (2n =24) Đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu về nguồn gốc và quá trình tiến hóa của cây lúa, nhưng các kết quả nghiên cứu vẫn chưa có sự thống nhất. Tuy nhiên, đã có sự thống nhất cho rằng lúa trồng ngày nay là kết quả của sự tiến hóa liên tục từ cây lúa dại dưới sự tác động của tự nhiên và con người qua nhiều thiên niên kỷ. Hiện nay cây lúa (Oryza sativa L.) được trồng nhiều ở vùng có điều kiện sinh thái và khí hậu đa dạng ở cả Châu Á, châu Âu, châu Mỹ, châu Phi và châu Đại Dương. Từ vùng đất thấp ven biển đến các vùng có độ cao 3.000m thuộc dãy Himalaya; từ những vùng có độ ngập nước sâu tới 3 – 4m ở Bangladesh đến vùng nương đồi cao không có lớp nước phủ; từ vùng nhiệt đới mưa nhiều đến những vùng khô hạn với lượng mưa chỉ từ 9 – 13 mm trong một vụ lúa. [7] Kết quả nghiên cứu trong vài thập niên gần đây về nguồn gốc cây lúa cho thấy, quê hương đầu tiên của cây lúa là vùng Đông Nam Á và Đông Dương. Ở những nơi này, người ta đã tìm thấy dấu ấn của cây lúa từ khoảng 10.000 năm trước Công Nguyên. Còn ở Trung Quốc, bằng chứng lâu đời nhất về cây lúa chỉ từ 5.900 – 7.000 năm về trước. Một số tác giả Nhật Bản cũng cho rằng, lúa trồng không phải