ỨNG DỤNG KĨ THUẬT HẠT NHÂN TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA CHẤT LƯỢNG CAO

ỨNG DỤNG KĨ THUẬT HẠT NHÂN TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA CHẤT LƯỢNG CAO

ỨNG DỤNG KĨ THUẬT HẠT NHÂN TRONG CHỌN TẠO GIỐNG LÚA

CHẤT LƯỢNG CAO

NỘI DUNG CHÍNH BÁO CÁO

• 1 Lịch sử ngành di truyền và chọn giống đột biến.

• 2 Các tác nhân gây đột biến và cơ chế tác động của chúng đến vật liệu di truyền.

• 3 Mục tiêu, định hướng của ngành di truyền và chọn giống đột

Lịch sử ngành di truyền

và chọn giống đột biến

• Từ năm 1900 - 1905, nhà bác học người Áo Huygodveri đã phát hiện

ra cây đột biến tự nhiên ở cây Oenothera lamarkiana Ông đã nghiên cứu quy luật phát sinh các đột biến tự nhiên và hình thành nên thuyết đột biến.

• Các nghiên của các nhà sinh học từ thế kỉ 19, 20 như Lamark, Darwin, Menden , đã khẳng định các đột biến trong tự nhiên là nguồn biến di phong phú cho quá trình chọn lọc tự nhiên và nhân tạo

để hình thành nên các loài mới và giống mới, thích ứng tốt với điều kiện tự nhiên và đáp ứng tốt nhu cầu của con người

• Tuy nhiên đột biến tự nhiên xảy ra với tần số rất thấp từ 1/vạn đến 1/triệu, vì thế làm thế nào để tìm ra các tác nhân nâng cao đột biến tự nhiên nên

• Phương pháp gây đột biến nhân tạo đã được biết đến từ năm 1925 khi Natxon và Philippôp phát hiện rằng tia Roentgen có khả năng gây ra

A Trên thế giới

• Nhưng phải sau, các công trình của Muller, Xapegin, Stadle

ở trên ruồi dấm và ngô (1926-1935), Xakharop, Rapoport, Gustafson và cs… trên lúa mì, lúa mạch, mạch ba góc (1938- 1940) đã thu được rất nhiều đột biến có giá trị trong nghiên cứu di truyền và chọn giống Chính những công trình này là

cơ sở cho sự ra đời ngành di truyền học phóng xạ làm nền tảng cho sự ra đời ngành chọn biến đột giống phóng xạ.

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 ra hàng loạt giống mới như: lúa, lúa mỳ, lúa mạch, táo, chanh, mía, chuối và những loại cây trồng khác

A Trên thế giới

• Cho tới tháng 7/2010 (FAO/IAEA Mutant Varieties Database), trên

2970 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 kỳ to lớn về kinh tế nông nghiệp 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

• Những thành tựu to lớn mà gây đột biến thực nghiệm đem lại trên thế giới đó là một số giống cây trồng như: cỏ Bermuda, lê Nhật bản, giống lúa nửa lùn Remei Nhật bản, khoai lang, khoai tây, hoa cúc, hoa hồng với màu sắc khác nhau và hình dạng cánh hoa đa dạng cam không hạt của Ỉran,Vải không hạt A4 của Trung Quốc… Đặc biệt ở Trung quốc giống lúa đột biến Zhefu 802 được trồng với diện tích lớn nhất thế giới (trên 10,5 triệu hecta) và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất trong thời gian khá dài trên 10 năm.

• Một số thành tựu chọn giống đột biến trên thế giới qua các năm được trình bày ở biểu đồ dưới đây:

A Trên thế giới

Số

lượng

giống

Hơn 2970 giống cây trồng

Số lượng giống cây trồng đã được tạo ra nhờ gây

đột biến trên thế giới (Tính đến 7/2010)

• Các nghiên cứu di truyền và chọn tạo giống ở việt nam được tiến hành chậm hơn nhiều so với thế giới

• Năm 1966, các nghiên cứu về ảnh hưởng của ria Gamma, nguồn coban 60, DES, DMS đến các biến dị di truyền ở lúa, dâu tằm tại

bộ môn Di truyền khoa Sinh Đại Học Tổng Hợp Hà nội (Trịnh Bá Hữu, Phan Phải, Lê Duy Thành) Từ năm 1968 trên đậu Hà Lan của Trần Minh Nam, trên Nigenladamastica của Phan Phải (1969-1972), trên lúa Chân Châu lùn và Trung Quốc 2 của Lê Duy Thành, Trần Duy Quý (1969-1970), tiếp theo là các nghiên cứu trên cây cà chua, táo, lúa ở Viện cây lương thực và thực phẩm (Vũ Tuyên Hoàng và cs 1975-1980).

• Các nghiên cứu ảnh hưởng của tia gama của Thái Công Tụng, Nguyễn Văn Mừng (1971-1974)… trên một số cây trồng.

B Ở Việt Nam

và cây thực phẩm, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt…

• Đặc biệt trong những năm gần đây các Viện đi tiên phong và có những thành tựu suất sắc trong nghiên cứu di truyền và chọn giống đột biến ở các cây trồng khác nhau như lúa, ngô, đậu tương, rau hoa: Viện di truyền Nông Nghiệp (Phan Phải, Trần Duy Quý, Nguyễn Hữu Đống, Mai Quang Vinh và các cs., 1984- 2009), Viện Khoa học Nông nghiệp Miền Nam (Đỗ Khăc Thịnh và các cs., 1995-2009), Viện nghiên cứu lúa ĐB sông Cửu Long (Đoàn Văn Ro, Bùi Chí Bửu và các cs., 1990- 2009), Viện Cây Lương thực và thực phẩm (Vũ Tuyên Hoàng và cs., 1990-2009), Trường đại hoc sư pham Hà nội I (Nguyễn Minh Công và cs 1990-2009),Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt (Lê Xuân Thám và cs, 1998-2009)

• Cho đến nay các nhà khoa học Việt nam chọn tạo được hơn 57 các giống đột biến trên các đối tượng lúa, ngô, đậu tương, cà chua, dâu tằm, táo, hoa cúc, hoa hồng… trở thành nước thứ 4 về chọn giống đột biến của châu Á sau Trung Quốc, Nhật Bản,

Ấn Độ và đứng thứ 8 thế giới sau Trung Quốc,Ấn Độ,Nhật,Liên Xô cũ,Hà Lan, Đức,

Các tác nhân gây đột biến và cơ chế tác động của chúng đến vật liệu di truyền

Các phương pháp gây tạo đột biến

• Tác nhân vật lý: tia gamma, tia X, các chùm neutron nhanh, neutron chậm…

• Tác nhân hoá học: EMS, EI, DES, DMS, NMU,

NEU…

• Kết hợp xử lý tác nhân vật lý và tác nhân hoá học

- Sử dụng phương pháp nào tuỳ thuộc: đối tượng, kiểu sinh sản của cây trồng, tính đặc hiệu của loại tính trạng mong đợi tạo ra…

TÁC NHÂN VẬT LÍ

+ Tia X từ máy gia tốc tia X.

+ Tia Gamma từ nguồn Co-60, nguồn Cs-137.

+ Chiếu tia nhiệt hoặc chiếu chùm tia nơtron chậm từ

lò phản ứng hạt nhân + Chiếu chùm tia nơtron nhanh từ lò phản ứng hạt nhân.

+ Các tiểu phần Beta: Phosphorus 32 hoặc Sulfur- 35.

TÁC NHÂN HÓA HỌC

CƠ CHẾ TÁC ĐỘNG

• Nhiều thế hệ các nhà khoa học trên thế giới và Việt nam khi nghiên cứu cơ chế tác động của các tác nhân vật lí và hóa học đến phân tử ADN, NST, tế bào, cơ thể, chúng gây nên các phản ứng hóa học với phân tử ADN tạo nên các dimertimin… tạo nên sự thay thế các gốc bazơ nitơ của nhóm purin bằng pyrimidin, hoặc tạo nên các đứt đoạn, sai hình các NST… Nói tóm lại là tạo nên những thay đổi về cấu trúc của gene, những cấu trúc này được di truyền cho các thế

hệ sau thông qua các quá trình phân bào, nguyên nhiễm và giảm nhiễm Cuối cùng tạo nên các cá thể mới mang những đặc điểm di truyền khác với bố mẹ

• Chúng ta tiến hành chọn lọc các đột biến được tao ra theo những đặc tính mong muốn như năng suất cao, khả năng chống chịu sâu bệnh, hạn, úng… để tạo thành các giống mới.

CÁC PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN GIỐNG

CÂY TRỒNG

• Chọn lọc và bảo tồn những vật liệu cây trồng sẵn có trong tự

nhiên đã được cải tiến một cách tự phát đáp ứng những tiêu

chí của nhà chọn giống.

• Lai tạo kết hợp chọn lọc.

• Gây tạo đột biến kết hợp chọn lọc.

• Kỹ thuật sinh học: chuyển gen tạo ra các cơ thể có tính trạng

mới GMO (Genetics Modified Organism).

Mục tiêu, định hướng của ngành

di truyền và chọn giống đột biến

Mục tiêu cải tiến giống cây trồng

nghiên cứu lí thuyết về di truyền học và chọn tạo giống cây trồng:

suất, chất lượng, tính chống chịu sâu bệnh, khả năng chịu đựng đối với strees của môi trường (hạn, úng, chua mặn, nóng, lạnh… gen bất dục đực TGMS )

dùng.

Ưu điểm của chọn giống đột biến

• - Tạo ra sự da dạng về mặt di truyền của vật liệu khởi đầu nhanh và hiệu quả.

• - Tạo được giống mới trong một thời gian ngắn, đặc biệt đối với loại cây sinh sản vô tính.

• - Thay đổi một hoặc một vài tính trạng mà không làm ảnh hưởng tới những tính trạng còn lại của cây trồng.

• - Nâng cao hiệu quả công tác chọn tạo giống so với các phương pháp chọn giống cổ điển và hiện đại.

Những kết qủa nổi bật của ngành di truyền và chọn giống lúa đột biến

• Trong báo cáo này, chúng tôi tập chung trình bày những kết quả chủ yếu thu được khi xử lý các giống lúa địa phương, nhập nội hay các dòng mới lai tạo được như các giống: Tám Thơm Thái Bình, Tám Xuân Đài,

Dự Hương, Chiêm bầu, Cườm, Nếp cái Hoa vàng, Nếp Hải Hậu, Mộc Tuyền, IR8, C4-63, TB1, các dòng mới lai tạo như: ST3, ST5, ST13, ST16, ST19, ST20… bằng các tác nhân vật lý và hóa học như tia Gama, nguồn Coban60 với liều lượng 15, 20 và 25 Krad Các chất hóa học như NMU, NEU, EI, DES, DMS với các nồng độ 0,01; 0,015; 0,025; 0,030% trong thời gian từ 18 -24h ở hạt khô hoặc hạt nảy mầm.

• Từ năm 1980 đến nay, chúng tôi thu được rất nhiều các đột biến mang những đặc điểm nông sinh học quý như kiểu cây cây cải tiến, các yếu tố cấu thành năng suất cao như cấu trúc bông, khối lượng 1000 hạt tăng cao, chất lượng gạo cao, dẻo thơm Đặc biệt nhiều đột biến chín sớm cấy được hai vụ/năm, kháng được nhiều sâu bệnh như đạo ôn, bạc lá, khô vằn, rầy nâu

• Nhiều trong các số đột biến nêu trên đã được trực tiếp chọn lọc qua một số thế hệ để trở thành giống hoặc được lai tích lũy với bố mẹ hoặc lai giữa các dòng đột biến với nhau và thông qua chọn lọc trở thành giống phục vụ sản xuất.

Từ năm 1985 đến nay, chúng tôi đã đưa ra được hàng chục giống lúa đột biến được chọn lọc bằng phương pháp thực nghiệm như DT10; DT11; DT13; DT14; DT17; DT33, DT21; DT22; DT37; DT38; A20; DT122; D271; ĐCM1, Tám thơm đột biến, ST3; MT4; MT2… Nhiều giống đến nay vẫn tồn tại trong sản xuất Ngoài các đột biến có lợi cho công tác chọn tạo giống còn có các đột biến phục vụ cho các nghiên cứu lập bản đồ di truyền về gen như gen bất dục đực TGMS, gen kháng đạo ôn, bạc lá, rầy nâu, gen mùi thơm, gen không mẫn cảm với quang chu kỳ

Một ví dụ điển hình đó là giống lúa đột biến DT10 của Viện Di truyền Nông Nghiệp nhận được từ việc chiếu xạ hạt khô của giống C4-63 ở liều 20Kr Giống này đã được công nhận đủ tiêu chuẩn giống quốc gia năm 1990 Khác với giống bố mẹ, giống DT10 có khả năng chịu lạnh, chịu úng, chống chịu bệnh tốt hơn bố mẹ và cho năng suất khá cao và ổn định (năng suất đạt 5,5 - 7,0 tấn /ha) Giống lúa này được trồng ở nhiều vùng ở miền bắc Việt Nam với diện tích khoảng 1 triệu hecta, chiếm 33% diện tích trồng lúa thập kỷ 90 Một số dòng đột

• Phần lớn các giống đột biến được tạo ra bằng chọn lọc trực tiếp từ các dòng đột biến triển vọng từ các thế hệ M3 trở đi, chọn ra những dòng có những tính trạng tốt hơn giống gốc về một số đặc tính nông học như năng suất, chất lượng (Hình 2, Hình 3, 4)

Mo AABBCC…

M1 Tế bào khởi sinh thứ 1 AABBCc

Tế bào khởi sinh thứ 2 AABBCC

Tế bào khởi sinh thứ 3 AaBbCc

AABBC.3/4 AABBcc.1/4

2 nd sector 1/3 AABBCC (Không phân ly)

3 rd sector 1/3

A.B.C 9/16 A.bbC 3/16 aaB.CC 3/16 aabbC 1/16 aa- Thân lùn; bb- mầm bạch tạng; cc: lớp phấn trên lá

Chọn lọc các cây thân lùn đột biến

Tần số của các cây thân lùn ở M 2

Kiểu hình: aaB.CC 1/3 x 3/16=3/48 (1/16)

Kiểu gen: aaBBCC 1/3 x 1/16=1/48

Tất cả những cá thể có kiểu hình aaB.CC được trồng riêng biệt ở M 3 để tiếp tục

Hình 4: Các kiểu đột biến NST ở hậu kì nguyên phân

• Những tính trạng được cải tiến thông qua đột biến thường là năng suất, giảm chiều cao, chống chịu, sâu, bệnh (đối với lúa: DT10, DT11, ); phá vỡ tính cảm quang (tám thơm đột biến, DT21); Chất lượng (ở lúa CM6); Chịu stress của môi trường (ở lúa CM1), có đột biến thay đổi màu sắc của hạt gạo làm tăng tính thương phẩm trên thị trường như trường hợp giống lúa Chiêm bầu địa phương hạt gạo đỏ, năng suất thấp, ở giống đột biến CM1 và CM6 hạt gạo chuyển sang màu trắng làm tăng giá trị thương phẩm (Bảng 1; 2,3); Hình 5,6)

Bảng 1 Các giống lúa mới được tạo ra bằng phương pháp gây đột

biến nhân tạo

Các giống

đột biến

Phương pháp xủ lý đột biến Chiếu xạ (1) Hóa chất(2) Kết hợp (1 )

và 2

Kết hợp 1 và lai tạo

DT10 20 Kr đối với hạt khô M 2 : 0,025%

DT11 20 Kr đối với hạt khô M 2 : 0,025%

Bảng 2 Phương pháp chọn lọc các

Trực tiếp Gián tiếp

Tính trạng được cải tiến nhờ đột biến

Năm được công nhận tiến bộ khoa học kỹ thuật

STT Nguồn gốc Đột biến

1 C4-63 DT10 Năng suất cao, chịu lạnh, chịu sâu bệnh 1990 (Giống quốc gia)

2 C4-63 DT11 Chất lượng tốt, ngon cơm hơn DT10 1995 (Giống quốc gia)

3 DT10/CR203 DT13 chất lượng cơm khá hơn DT10, năng suất cao 1998 (Giống quốc gia)

4 A8 A20 Chịu hạn, chịu phèn mặn, chất lượng tốt 1993 (Giống quốc gia)

5 Chiêm bầu CM1

Chịu phèn mặn, đổi màu hạt tử đỏ sang trắng, chín sớm 1999 (Giống quốc gia)

6 Chiêm bầu CM6 Chịu phèn mặn, màu hạt, chất lượng, mùi thơm 2000 (Giống tạm thời)

9 DT10/ OM80 DT17 Năng suất cao, chất lượng tốt 1999 (Giống tạm thời)

10 DV2/ nếp 415 DT21 Phá vỡ tính cảm quang, năng suất 2000 (Giống quốc gia)

11 Tám thơm Hải hậu Tám thơm đột biến Phá vỡ tính cảm quang, ngắn ngày 2000 (giống quốc gia)

12 DT21Dai loan DT22 Năng suất cao, chất lượng tốt 2002 (Giống tạm thời)

13 Khang dân DT38 Năng suất cao, cứng cây, chống đổ 2007 (Giống tạm thời)

14 Khang dân Khang dân đột biến Năng suất cao 2007 (Giống Quốc gia)

15 Bắc thơm Bắc thơm đột biến Phá vỡ tính cảm quang, chất lượng tốt hơn 2006 (Khảo nghiệm quốc gia)

16 Gây đột biến con lai IR64/Khang dân 18 CL9 Cải thiện chất lượng gạo 2006 (Giống quốc gia)

17 Nếp đột biến 415/KT90 PD2 Phá vỡ tính cảm quang, chất lượng tốt hơn 2006 (Giống quốc gia)

18 Sóc Trăng (ST) ST3 ĐB Năng suất cao, chất lượng tốt 2006 (giốngKN quốc gia)

Bảng 3: Các tính trạng được cải tiến ở giống lúa đột biến

• Ngoài ra, kết hợp nghiên cứu đột biến với nghiên cứu sinh học phân tử cũng là một hướng đi cần được phát huy

gây tạo đột biến được thực hiện một cách chặt chẽ, có thể cung cấp những phương pháp nghiên cứu chính xác, hiệu quả, nhanh và kinh tế hơn trong công tác cải tiến cây trồng theo hướng chọn giống đột biến ví dụ như nghiên cứu lập bản đồ di truyền về gen như gen bất dục đực TGMS, gen kháng đạo ôn, bạc lá, rầy nâu, gen mùi thơm, gen không mẫn cảm với quang chu kỳ (Hình 7,8)

Sử dụng các chỉ thị phân tử và PCR để xác định đột biến ở mức độ phân tử

The TGMS-VN1 gene in

a Vietnamese rice variety

was mapped

Marker assisted selection

against rice blast

Chọn lọc các giống lúa đột biến năng suất cao,

chất lượng tốt, đặc sản: Tám Thơm đột biến

Nếp DT22

Chiến lược phát triển lĩnh vực di truyền và chọn giống ở Việt Nam

• Các kết quả trình bày ở trên chứng tỏ phương pháp chọn tạo giống đột biến nhờ kĩ thuật hạt nhân là rất hiệu qủa:

• - Tạo được nhiều đột biến giá trị trong nghiên cứu lý thuyết di truyền và lập bản đồ gene ở cây trồng:

• - Tạo được nhiều vật liệu khởi đầu cho công tác chọn tạo giống:

• + Chọn lọc trực tiếp để thành giống mới

• + Lai tạo giữa các đột biến giữa các giống ban đầu hay giữa các đột biến với nhau để tạo nên giống mới.

• Nâng cao hiệu qủa và rút ngắn thời gian tạo giống mới so với các

• Dễ sử dụng, giá thành thấp so với các phương pháp chọn tạo giống hiện đại khác

và chọn giống đột biến nhờ sử dụng kĩ thuật hạt nhân ở nước ta theo chúng tôi phải như sau:

đến 2015 và tầm nhìn 2030 về ứng dụng kĩ thuật hạt nhân trong nông nghiệp trong đó có lĩnh vực gây đột biến thực nghiệm ở cây trồng Hàng năm có những đề tài trọng điểm cấp nhà nước tập chung vào các cây trồng chủ lực như lúa, ngô, đậu tương, café, chè, rau hoa

nhà xưởng, máy móc như máy chiếu xạ, hoặc xây dựng một trường Gamma là tốt nhất vì có thể chiếu xạ nhiều loại cây trồng cùng một lúc,

ở nhiều giai đoạn khác nhau của chu trình phát triển cá thể hạt phấn, hợp tử, tiền phôi, hạt chín sinh lí, cây đang sinh trưởng và phát triển…

Do đó sẽ tạo ra được nhiều vật liệu khởi đầu trên nhiều vật liệu khác nhau cùng một lúc để phục vụ công tác nghiên cứu di truyền và chọn tạo giống cây trồng ở nước ta.