Nghiên cứu sự di truyền và biểu hiện của một số biến dị thực nghiệm của hai giống lúa tẻ, tám thơm đột biến, tám dự khi chịu tác động của tia gamma nguồn co 60

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ Sinh học “Nghiên cứu sự di truyền và biểu hiện của một số biến dị thực nghiệm của hai giống lúa tẻ: Tám thơm đột biến, Tám-Dự khi chịu tác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

_

Trần Phạm Duy Quang

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

Thành phố Hồ Chí Minh – 2012

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH

_

Trần Phạm Duy Quang

Chuyên ngành : Sinh học thực nghiệm

LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS NGUYỄN THỊ MONG

Thành phố Hồ Chí Minh - 2012

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ Sinh học “Nghiên cứu sự di truyền và biểu hiện của một số biến dị thực nghiệm của hai giống lúa tẻ: Tám thơm đột biến, Tám-Dự khi chịu tác động của tia Gamma – nguồn Co 60 ” là công trình

nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu trong luận văn là số liệu trung thực

Tp Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2012

TRẦN PHẠM DUY QUANG Học viên Cao học khóa 20 Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm Trường Đại học Sư phạm Tp Hồ Chí Minh

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục

Danh mục các từ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Nguồn gốc và lịch sử hình thành cây lúa 4

1.1.1 Nguồn gốc xuất xứ 4

1.1.2 Nguồn gốc thực vật 4

1.2 Quan niệm mới về hình dạng lúa năng suất cao 5

1.3 Đặc điểm nông – sinh học của cây lúa 7

1.3.1 Sự di truyền một số tính trạng hình thái 7

1.3.1.1 Chiều cao cây và tính kháng đổ ngã 7

1.3.1.2 Tính trạng hình thái lá 7

1.3.1.3 Tính trạng hình dạng bông lúa 8

1.3.1.4 Đặc điểm của hạt 9

1.3.2 Sự di truyền một số tính trạng sinh lý 10

1.3.2.1 Tính trạng thời gian sinh trưởng 10

1.3.2.2 Khả năng đẻ nhánh 12

1.3.3 Sự di truyền một số tính trạng sinh hóa 13

1.3.3.1 Hàm lượng amylose 13

1.3.3.2 Hàm lượng protein 13

1.3.3.3 Độ hóa hồ 14

1.3.3.4 Độ bền thể gel 14

1.4 Tác nhân gây đột biến 14

1.4.1 Tác nhân phóng xạ gây đột biến 14

1.4.1.1 Nhóm phóng xạ không gây ion hóa 15

1.4.1.2 Nhóm phóng xạ gây ion hóa 15

1.4.2 Tác dụng của tia gamma nguồn Co60lên vật chất di truyền 16

1.4.2.1 Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ phân tử (tác động lên phân tử ADN) 16

1.4.2.2 Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ tế bào 17

1.4.2.3 Tác dụng của phóng xạ đối với thực vật 18 1.4.3 Một số nhân tố ảnh hưởng tới hiệu quả gây đột biến của tia gamma 20

1.4.3.1 Kiểu gen 20

1.4.3.2 Độ ẩm của hạt 21

1.4.3.3 Các giai đoạn khác nhau trong quá trình phát triển cá thể 21

1.4.3.4 Các pha khác nhau của chu kỳ tế bào 21

1.4.3.5 Các nhân tố khác 22

1.5 Lược sử nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma (Co60) trên lúa trồng (O.Sativa L 2n = 24) 22

1.5.1 Nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma khi xử lý hạt khô 22

1.5.2 Nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma khi xử lý trên hạt nảy mầm 23

1.6 Một số thành tựu và triển vọng chọn giống lúa bằng phương pháp đột biến thực nghiệm trên thế giới và Việt Nam 24

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Đối tượng nghiên cứu 27

2.1.1 Tám Thơm đột biến 27

2.1.2 Tám-Dự 1 27

2.1.3 Tám-Dự 2.2 27

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.2.1 Chuẩn bị hạt giống 28

2.2.2 Tiến hành thí nghiệm ngoài đồng ruộng 28

2.2.3 Phương pháp quan sát, mô tả hình thái và thu thập số liệu ở M2 28

2.2.4 Phương pháp tính tần số biến dị đột biến phát sinh ở M2 29

2.2.5 Phương pháp khảo sát các thể đột biến có giá trị kinh tế ở M3 30

2.2.5.1 Triển khai thí nghiệm ngoài đồng ruộng (M3) 30

2.2.5.2 Phương pháp thu thập số liệu 30

2.2.5.3 Phương pháp phân tích chất lương thóc gạo trong phòng thí nghiệm 31

2.3 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 33

2.3.1 Địa điểm nghiên cứu 33

2.3.2 Thời gian nghiên cứu 33

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 34

3.1 Ảnh hưởng của liều chiếu xạ nguồn Co60lên tỷ lệ sống sót thời kì mạ, đẻ nhánh và trổ chín trên các giống lúa nghiên cứu 34

3.2 Sự phát sinh một số đột biến hình thái ở M2 do xử lý bằng tia gamma (nguồn Co60) trên các giống lúa nghiên cứu 36

3.2.1 Đột biến về thân cây 36

3.2.1.1 Đột biến cây thấp 36

3.2.1.2 Đột biến cây cao 40

3.2.1.3 Đột biến về kích thước và màu sắc thân 43

3.2.2 Đột biến về bông, hạt và lá 45

3.2.2.1 Đột biến chiều dài bông 45

3.2.2.2 Đột biến cách sắp xếp hạt trên bông 50

3.2.2.3 Đột biến lá đòng 53

3.3 Sự phát sinh đột biến về khả năng sinh trưởng ở M2 do xử lý bằng tia gamma (nguồn Co60)trên các giống lúa nghiên cứu 56

3.3.1 Đột biến về khả năng đẻ nhánh 56

3.3.1.1 Đột biến đẻ nhánh nhiều 57

3.3.1.2 Đột biến đẻ nhánh ít 60

3.3.2 Đột biến về thời gian sinh trưởng 61

3.4 Sự phát sinh đột biến về các yếu tố cấu thành năng suất ở M2 do xử lý bằng tia gamma (nguồn Co60 )trên các giống lúa nghiên cứu 64

3.4.1 Đột biến tăng số nhánh hữu hiệu/khóm 64

3.4.2 Đột biến về kích thước hạt 67

3.4.2.1 Đột biến hạt to 67

3.4.2.2 Đột biến hạt nhỏ 69

3.5 Sự sai khác về đặc tính sinh hóa của dạng đột biến so với dạng gốc ở M3 70

3.6 Đặc điểm nông sinh học của các dạng đột biến có giá trị ở M3 73

3.6.1 Đặc điểm nông sinh học của thể đột biến chín sớm ở M3 73

3.6.1.1 Sinh trưởng và phát triển của giai đoạn mạ 74

3.6.1.2 Khả năng đẻ nhánh 74

3.6.1.3 Chiều dài và chiều rộng lá đòng 74

3.6.1.4 Chiều cao cây 74

3.6.1.5 Độ tàn lá 75

3.6.1.6 Độ rụng hạt 75

3.6.1.7 Chiều dài bông 75

3.6.1.8 Số bông hữu hiệu/ khóm 75

3.6.1.9 Số hạt trên bông 76

3.6.1.10 Tỷ lệ hạt lép 76

3.6.1.11 Khối lượng 1000 hạt 76

3.6.1.12 Năng suất hạt (cá thể) 76

3.6.2 Đặc điểm nông sinh học của thể đột biến đẻ nhánh nhiều ở M3 78

3.6.2.1 Khả năng đẻ nhánh 78

3.6.2.2 Chiều dài và chiều rộng lá đòng 79

3.6.2.3 Chiều cao cây 79

3.6.2.4 Số bông hữu hiệu/khóm 79

3.6.3 Đặc điểm nông sinh học của thể đột biến hạt to ở M3 81

3.6.3.1 Chiều cao cây 81

3.6.3.2 Chiều dài cổ bông 81

3.6.3.3 Tỷ lệ hạt lép 82

3.6.3.4 Khối lượng 1000 hạt và năng suất hạt 82

3.6.4 Đặc điểm nông sinh học của thể đột biến hạt xếp xít ở M3 83

3.6.4.1 Chiều cao cây 83

3.6.4.2 Số hạt trên bông 83

3.6.4.3 Năng suất hạt 83

3.6.5 Đặc điểm nông sinh học của thể đột biến tăng chiều dài bông ở M3 85 3.6.5.1 Chiều cao cây 85

3.6.5.2 Chiều dài cổ bông 85

3.6.5.3 Số hạt trên bông 85

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

4.1 Kết luận 88

4.2 Kiến nghị 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC i

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 Tỷ lệ sống sót qua các thời kì sinh trưởng và phát triển ở thế hệ

M2 khi xử lí bằng tia gamma nguồn Co60 trên các giống lúa

nghiên cứu 34

Bảng 3.2 Sự phát sinh đột biến chiều cao cây ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 37

Bảng 3.3 Sự phát sinh đột biến thân ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 trên TD1 và TD 2.2 43

Bảng 3.4 Sự phát sinh đột biến chiều dài bông ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 46

Bảng 3.5 Sự phát sinh đột biến hạt xếp xít ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 50

Bảng 3.6 Sự phát sinh đột biến góc là đòng ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 54

Bảng 3.7 Sự phát sinh đột biến đẻ nhánh ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 57

Bảng 3.8 Sự phát sinh đột biến chín sớm ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 61

Bảng 3.9 Sự phát sinh đột biến tăng số nhánh hữu hiệu/khóm ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 65

Bảng 3.10 Sự phát sinh đột biến kích thước hạt ở M2 do tác dụng của tia gamma nguồn Co60 67

Bảng 3.11 Một số chỉ tiêu sinh hóa của TD 1 ở M3 71

Bảng 3.12 Một số chỉ tiêu sinh hóa của TTĐB ở M3 71

Bảng 3.13 Một số chỉ tiêu sinh hóa của TD 2.2 ở M3 71

Bảng 3.14 Đặc điểm nông sinh học của các dạng đột biến chín sớm ở M3 77

Bảng 3.15 Tần số đột biến đẻ nhánh nhiều phát sinh ở M3 78

Bảng 3.16 Đặc điểm nông sinh học của các dạng đẻ nhánh khỏe ở M3 80

Bảng 3.17 Đặc điểm nông sinh học của các dạng đột biến hạt to ở M3 82

Bảng 3.18 Đặc điểm nông sinh học của các dạng đột biến hạt xếp xít ở M3 84 Bảng 3.19 Đặc điểm nông sinh học của các dạng đột biến tăng chiều dài

bông ở M3 86

DANH M ỤC CÁC HÌNH

Hình 3.1 Biều đồ tỷ lệ sống sót thời kì mạ 34

Hình 3.2 Biều đồ tỷ lệ sống sót thời kì đẻ nhánh 34

Hình 3.3 Biều đồ tỷ lệ sống sót thời kì trổ chín 35

Hình 3.4 Đột biến cây thấp ở TD 1 38

Hình 3.5 Biểu đồ tần số đột biến cây thấp ở M2 38

Hình 3.6 Đột biến chiều cao cây ở TD 2.2 40

Hình 3.7 Đột biến cây cao ở TTĐB liều xạ 10 kR 41

Hình 3.8 Biểu đồ tần số đột biến cây cao ở M2 42

Hình 3.9 Đột biến thân thấp, xanh đậm ở TD1 liều xạ 10 kR 43

Hình 3.10 Đột biến thân nhỏ, màu tím đậm ở TD 2.2 liều xạ 10 kR 44

Hình 3.11 Biểu đồ tần số đột biến bông ngắn ở M2 46

Hình 3.12 Đột biến bông ngắn ở TTĐB 47

Hình 3.13 Biểu đồ tần số đột biến bông dài ở M2 48

Hình 3.14 Đột biến bông dài ở TTĐB 48

Hình 3.15 Biểu đồ tần số đột biến bông có hạt xếp xít ở M2 50

Hình 3.16 Đột biến bông có hạt xếp xít ở TD 2.2 50

Hình 3.17 Biến dị vỏ trấu dị dạng ở TD 2.2 51

Hình 3.18 Biến dị hạt màu tím, dẹt đầu ở TD 2.2 52

Hình 3.19 Biểu đồ tần số đột biến góc lá đòng ở M2 53

Hình 3.20 Đột biến góc lá đòng rộng ở TTĐB liều xạ 10 kR 54

Hình 3.21 Đột biến góc lá đòng rộng ở TD 1 liều xạ 15 kR 54

Hình 3.22 Đột biến giảm kích thước lá đòng ở TD 2.2 liều xạ 10 kR 55

Hình 3.23 Biểu đồ tần số đột biến đẻ nhánh nhiều ở M2 58

Hình 3.24 Đột biến đẻ nhánh nhiều ở TD 2.2 liều xạ 10 kR 58

Hình 3.25 Biểu đồ tần số đột biến đẻ nhánh ít ở M2 59

Hình 3.26 Đột biến đẻ nhánh ít ở TD 2.2 liều xạ 10 kR 60

Hình 3.27 Biểu đồ tần số đột biến chín sớm ở M2 62

Hình 3.28 Đột biến trổ bông sớm ở TD 1 62

Hình 3.29 Đột biến chín sớm ở TD 1 63

Hình 3.30 Biểu đồ tần số đột biến tăng số nhánh hữu hiệu/khóm ở M2 65

Hình 3.31 Đột biến tăng số nhánh hữu hiệu/khóm ở TD 2.2 liều xạ 10 kR 65

Hình 3.32 Biểu đồ tần số đột biến hạt to ở M2 67

Hình 3.33 Đột biến hạt to ở TD 1 68

Hình 3.34 Biểu đồ tần số đột biến hạt nhỏ ở M2 68

Hình 3.35 Đột biến hạt nhỏ ở TD 1 69

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Lúa là cây trồng thân thiết, lâu đời nhất của nhân dân ta và nhiều dân tộc khác trên thế giới, đặc biệt là các dân tộc ở Châu Á Trên thế giới, về diện tích gieo trồng, lúa đứng thứ hai sau lúa mì, về tổng sản lượng nó đứng hàng thứ ba sau lúa mì và ngô [6] Lúa được trồng ở 112 nước và là lương thực của hơn 54% dân số trên thế giới Lúa gạo là cây lương thực có giá trị dinh dưỡng cao nên ở một số quốc gia đây không chỉ là nguồn lương thực chính mà còn chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, là mặt hàng xuất khẩu tạo nguồn thu ngoại tệ để đổi lấy thiết bị, vật tư cần thiết cho sự phát triển đất nước[6]

Việt Nam là cái nôi của nền văn minh lúa nước với nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế trọng yếu nên từ lâu, lúa gạo đã trở thành cây lương thực chính, có ý nghĩa rất quan trọng trong đời sống của người dân và nền kinh tế quốc dân Mức tiêu thụ gạo bình quân ở Việt Nam hiện nay vẫn ở mức cao khoảng 120kg/người/năm [6] Đời sống của người dân không ngừng được cải thiện, nên từ nhu cầu đủ no đã và đang tiến tới nhu cầu ăn ngon Bên cạnh đó, Việt Nam là một quốc gia đứng hàng thứ 2 về xuất khẩu lúa gạo trên thế giới, sau Thái Lan, nhưng giá gạo của ta vẫn còn thấp, chưa tạo được thương hiệu gạo Việt trên toàn cầu

Từ nửa thế kỉ trở lại đây, các thành tựu của di truyền học hiện đại và công nghệ sinh học tiên tiến đã được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp nhằm để tăng năng suất, tăng chất lượng sản phẩm đối với nhiều loại cây trồng và vật nuôi nhằm phát triển nông nghiệp hàng hóa chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu đổi mới xã hội Do vậy, việc nghiên cứu và chọn-tạo các giống lúa chất lượng cao để đưa vào sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu là hết sức cần thiết

Với mục tiêu chính là phát hiện các thể đột biến thực nghiệm có giá trị nhằm cải tạo nhược điểm của một số giống lúa đặc sản phục vụ chương trình cải

tiến giống, chúng tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu sự di truyền và biểu

hiện của một số biến dị thực nghiệm của hai giống lúa tẻ: Tám thơm đột biến, Tám-Dự khi chịu tác động của tia Gamma - nguồn Co 60

”

2 Mục đích nghiên cứu

Xác định được một số thể đột biến có đặc điểm tốt về hình thái, năng suất

và hiệu quả kinh tế nhằm phục vụ nhu cầu người dân và góp phần tăng giá trị sản xuất lúa

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Phát hiện các dạng biến dị về hình thái, sinh lí ở các giống lúa nghiên cứu

- Theo dõi và so sánh các chỉ tiêu về hình thái, sinh lí, sinh hóa của các thể đột biến so với đối chứng

- Theo dõi sự di truyền các tính trạng tốt từ các thể đột biến qua thế hệ sau

- Chọn lọc các thể đột biến có giá trị kinh tế

• Là cơ sở lý luận cho việc cải tạo giống cây trồng

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Nguồn gốc và lịch sử hình thành cây lúa

Vavilop (1926), trong nghiên cứu nổi tiếng của ông về sự phân bố đa dạng

di truyền của cây trồng, cho rằng lúa trồng được xem như phát triển từ Ấn Độ [6]

Roschevicz (1931) phân các loài Oryza thành 4 nhóm: Sativa, Granulata, Coarctata, Rhynchoryza , đồng thời khẳng định nguồn gốc của Oryza sativa là một trường hợp của nhóm Sativa, có lẽ Oryza sativa f.spontanea, ở Ấn Độ, Đông

Dương hoặc Trung Quốc [6]

Nhà khảo cổ Mỹ Solheim Wilheim vào năm 1966 phát hiện di chỉ Non Nok Tha vùng Korat với những mảnh gốm trên tầng văn hóa đá mới có dấu vết của vỏ

trấu Oryza sativa Những di vật này đã có từ 4000 năm trước công nguyên [5]

Ở nước ta theo các tài liệu tin cậy được công bố thì cây lúa đã được trồng phổ biến và nghề trồng lúa đã khá phồn thịnh ở thời kì đồ đồng (khoảng năm

4000 – 3000 trước công nguyên) [9]

1.1.2 Nguồn gốc thực vật

Lúa là cây hằng niên có tổng số NST 2n = 24 Cây lúa thuộc họ Gramineae (hòa thảo), tộc Oryzeae, chi Oryza Oryza có khoảng 20 loài phân bố ở vùng nhiệt đới ẩm của Châu Phi, Nam và Đông Nam Châu Á, Nam Trung Quốc, Nam

và Trung Mỹ và một phần ở Úc Châu (Chang, 1976 theo De Datta, 1981) Trong

đó chỉ có 2 loài là lúa trồng, cả 2 thuộc loại nhị bội (2n=24) có bộ gen là AA, còn lại là lúa hoang hằng niên và đa niên Loài lúa trồng quan trọng nhất, thích nghi

rộng rãi và chiếm đại bộ phận diện tích lúa thế giới là Oryza sativa L Loài này

hầu như có mặt ở khắp nơi từ đầm lầy đến sườn núi, từ vùng xích đạo nhiệt đới đến ôn đới, từ khắp vùng phù sa nước ngọt đến vùng đất cát sỏi ven biển nhiễm mặn phèn,… [6]

Một loài lúa trồng nữa là Oryza glaberrima Steud., chỉ được trồng giới hạn

ở một số quốc gia Tây Phi Châu và hiện đang bị thay thế dần bởi Oryza sativa L

[6]

Về phương diện thực vật học thì lúa trồng hiện nay là do lúa dại qua chọn lọc tự nhiên và chọn lọc nhân tạo lâu đời hình thành Theo H.I.Oka thì sơ đồ diễn biến quá trình hình thành lúa trồng có thể như sau:

[17]

1.2 Quan niệm mới về hình dạng lúa năng suất cao

Trong Hội nghị Di truyền quốc tế về cây lúa tổ chức tại Bắc Kinh năm

2002, Yang Huije và cộng sự [10] đã đề xuất 8 đặc điểm di truyền và sinh lý của các giống lúa siêu cao sản:

- Các giống lúa siêu cao sản phải có năng suất xấp xỉ 16000 kg/ha/vụ

- Phải có nhiều gié/bông, nhờ số gié cấp 1 và cấp 2 nhiều dẫn đến mật độ hạt trên bông cao

- Năng suất tăng tuyến tính với sự tăng vật chất khô Trong khi đó, năng suất được tạo nên bước đầu từ sản phẩm sinh khối, chỉ số thu hoạch đóng góp ít cho năng suất hạt (từ 9%-22%)

- Tổng giá trị sản sinh vật chất khô của thân, lá và sự tích lũy vật chất khô sau khi trổ có tương quan dương và rất chặt với năng suất hạt

- Hầu hết các giống lúa siêu cao sản có khả năng đẻ nhánh vừa phải hoặc yếu nhưng tỉ lệ nhánh hữu hiệu cao

- Năm lá cuối cùng phải có độ dài vừa phải và mọc đứng, có tương quan dương chặt chẽ giữa chiều dài, chiều rộng và diện tích lá tương ứng

- Có mối tương quan dương ở mức độ khác nhau giữa chiều dài của các lóng, giữa mặt cắt ngang thân và độ dày của thân ở các lóng khác nhau Độ dày của thân tương quan dương với số gié/bông; thân càng dày bông càng nhiều gié

- Phải có khả năng chống đổ

Các đặc điểm trên cho thấy: kích cỡ cây giảm mạnh và sản phẩm sinh khối cây càng cao là 2 yếu tố cực kì quan trọng để đánh giá sự tăng tiềm năng năng suất của các giống lúa Tuy nhiên, mức độ phát huy tiềm năng, năng suất của một giống còn phụ thuộc vào các điều kiện sinh thái thích hợp

Virk P.S và Khush G.S (2002) [10] đề xuất kiểu cây lúa lý tưởng cho vùng nhiệt đới, cụ thể như sau: có khả năng đẻ nhánh yếu, ít nhánh vô hiệu, có khoảng

250 hạt/bông, chiều cao cây từ 90-100cm, thân dày và chắc, có lá dày, màu xanh thẫm và mọc đứng, bộ rễ phát triển mạnh, thời gian sinh trưởng từ 100-130 ngày, chỉ số thu hoạch cao, có khả năng kháng tốt đối với sâu bệnh và điều kiện bất thuận, chống đỡ tốt, chất lượng và hình dạng hạt mong muốn; có hàm lượng sắt

và kẽm cao, chất lượng dinh dưỡng ưu việt Những giống lúa như vậy thường thuộc loại hình Indica

1.3 Đặc điểm nông – sinh học của cây lúa

1.3.1 Sự di truyền một số tính trạng hình thái 1.3.1.1 Chiều cao cây và tính kháng đổ ngã

Về hệ gen kiểm soát chiều cao cây lúa, theo Chang (1964), chiều cao cây lúa được kiểm tra bởi một số gen tương tác theo kiểu cân bằng như: D, Sm, md,

dw, T và D Mức độ chi phối tính trạng chiều cao cây của chúng theo thứ tự: D>Sm>dw>md Ngoài ra còn có gen át chế đối với gen T là gen I Cây có kiểu gen I-T-sẽ có dạng lùn [1]

Lần đầu tiên người ta phát hiện được gen lặn đột biến sd1 ở giống lúa lùn Calrose-76 (một giống lúa đột biến từ giống lúa cao cây Calrose của bang Califoocnia-Mỹ), tiếp theo là các alen của nó ở giống lúa nửa lùn De-Geo-Woo-Gene (DGWG) Các công trình nghiên cứu sau đó tập trung phát hiện các gen và alen lùn của giống lúa khác, xác định quan hệ của chúng với Sd1 [19]

Có rất nhiều công trình nghiên cứu tìm hiểu tác động của gen lùn lên đặc điểm cấu trúc các tế bào ở đốt thân, hình thái, đặc tính sinh lý của rễ lúa Khush

và Toennissen (1991) đã thống kê tới hơn 50 gen liên quan đến tính lùn hoặc rút ngắn bộ phận nào đó của cây lúa, chúng phân bố trên 11 NST (trừ NST số 7) Do vậy trong điều kiện tự nhiên, tần số xuất hiện các alen đột biến làm thay đổi chiều cao cây là rất cao

1.3.1.2 Tính trạng hình thái lá

* Góc lá đòng và lá công năng

Lá thẳng đứng là tính trạng hình thái lá quan trọng nhất có quan hệ đến năng suất cao Lá thẳng đứng cho phép lá xâm nhập và phân bố đều trong ruộng lúa, do đó khả năng quang hợp cao hơn

Lá thẳng đứng là kết quả của ảnh hưởng đa hướng của gen lùn, có độ khả

di rất cao, nên dễ nhận ra lúc mới trổ bông và đánh giá bằng mắt [12]

* Chiều dài, chiều rộng lá đòng và lá công năng

Lá đòng là lá cuối cùng và trên một nhánh lúa thì nó là lá trên cùng Vì vậy nó tiếp nhận được nhiều ánh sáng nhất Từ khi trổ, lá đòng hoạt động không kém lá công năng, do ra sau, trẻ hơn và ở phía trên nên có vai trò lớn nhất trong nuôi dưỡng bông lúa [19]

Từ các kết quả nghiên cứu của mình, Mitra (1962) đã kết luận: chiều dài

và chiều rộng lá được kiểm soát bởi hệ thống di truyền khác nhau và mỗi tính trạng được kiểm soát bởi nhiều gen

Kramer (1974) sử dụng phép lai diallel giữa 7 giống lúa khác nhau về chiều dài và chiều rộng phiến lá, kết quả cho thấy: lá đòng thường ngắn hơn lá công năng, hai lá trên được kiểm soát bời các hệ thống di truyền khác nhau, đối với cả hai loại lá trên đều thấy hiện tượng siêu trội Tuy nhiên đối với lá đòng, hầu hết các gen trội đều tác động theo hướng làm cho phiến lá dài Còn ở lá công năng thì số gen trội và số gen lặn với số lượng tương đương thì tác động tương tự như trên [19]

Chiều rộng của lá ít biến đổi hơn chiều dài, dù vậy sự khác biệt cũng rất rõ cho cả giống lúa lùn lẫn cao Lá hẹp thường được cho là góp phần tạo năng suất cao vì nó phân bố đều hơn lá rộng, ít gây bóng rợp trong tán lá [12]

Từ kết quả thực nghiệm của mình, Kikuchi và cộng sự (1978) đã cho rằng: phiến lá rộng là trội không hoàn toàn, tính trạng chiều rộng lá đòng được kiểm soát bởi nhiều gen

1.3.1.3 Tính trạng hình dạng bông lúa

* Chiều dài bông lúa:

Khush, 1991 đưa ra kết luận: gen lặn đột biến đánh dấu “sp” trực tiếp xác định bông dài ở dạng ban đầu Dưới tác dụng của phóng xạ, locus Sp có thể phát sinh đột biến lặn theo nhiều hướng khác nhau, có hướng tăng cường chiều dài bông (ví dụ: Sp1>sp1,sp2,sp3) ở các mức độ khác nhau

Theo nghiên cứu của Vanderstok J.E (1910), Jones (1928) và Ramiah (1930), kiểu hình bông dài là trội so với bông ngắn và phân ly theo kiểu đa phân, chứng tỏ có nhiều gen chi phối tính trạng chiều dài bông

Đến năm 1958, Syakudo đề xuất: tính trạng chiều dài bông do 6 gen đa phân chi phối nhưng chưa rõ các gen cụ thể, chỉ cho biết tính trạng này phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện môi trường

Chú ý rằng, chiều dài bông cần kết hợp hài hoà với cổ bông Bông dài mà

cổ bông quá dài thì dễ gãy Bông dài mà không trổ thoát (cổ bông âm) thì tỷ lệ lép lại cao, làm giảm năng suất [19]

Theo IRRI, độ thoát cổ bông gồm 5 mức độ: thoát tốt, thoát trung bình, vừa đúng cổ bông, thoát một phần, không thoát được Nhìn chung khả năng trổ không thoát cổ bông được coi là một nhược điểm di truyền [17]

hệ số di truyền của chiều dài hạt là tương đối cao

Theo Jenning và cộng sự (1979), trừ kiểu hạt rất dày và mập, chiều dài và hình dạng hạt được di truyền độc lập nhau và độc lập với những tính trạng phẩm

chất gạo như hàm lượng protein, tính ngủ, nghỉ của hạt Chiều dài hạt là tính trạng số lượng, được kiểm soát bởi nhiều gen, thứ tự mức độ trội: hạt dài > hạt trung bình > hạt ngắn > hạt rất ngắn [19]

Chandraratna và Sakai (1960) phát hiện hiện tượng di truyền theo dòng

mẹ về kích thước hạt ở một số giống lúa Indica

Shakudo (1951), Takeda (1952) cùng phát hiện được các gen đột biến trội không hoàn toàn, quy định tính trạng hạt dài và tác động đa hiệu lên chiều cao cây của một số thể đột biến [19] Shakudo (1951), tìm thấy một gen trội không hoàn toàn tác động đa hiệu lên chiều dài hạt và chiều cao cây

Chang (1928) nghiên cứu sự di truyền chiều dài hạt qua phép lai giữa hạt ngắn (4,1mm) và hạt dài (8,8mm) đã phát hiện ở quần thể F2 có sự phân ly theo

tỷ lệ 1:2:1, tính trạng hạt ngắn là trội không hoàn toàn so với tính trạng hạt dài

Chandararatna (1960), Chandhary (1984), Trần Duy Quý (1988,1992) đều cho rằng, tính trạng hạt tròn là trội so với hạt dài, phép lai giữa giống hạt tròn và hạt dài có tỷ lệ 3 hạt tròn: 1 hạt dài ở F2 [19]

* Râu trên hạt

Phần lớn các nhà chọn giống chọn hạt không râu vì râu thường cứng, dài

và làm trở ngại việc đập và xay lúa Các dòng lúa có một ít hạt có râu trên bông, nhất là các hạt ngoài cùng, không đặt thành vấn đề quan trọng và không nên loại

bỏ chỉ vì hình thái đó [12]

1.3.2 Sự di truyền một số tính trạng sinh lý 1.3.2.1 Tính trạng thời gian sinh trưởng

Thời gian sinh trưởng của cây lúa tính từ nảy mầm cho đến chín thay đổi

từ 90 đến 180 ngày tuỳ theo giống và điều kiện ngoại cảnh [7] Thời gian sinh trưởng của cây còn phụ thuộc vào thời vụ gieo cấy với điều kiện ngoại cảnh khác nhau [7]

Về bản chất di truyền của tính trạng này, theo Chang (1964) và Grist (1968), tính chín sớm hay muộn của các giống lúa thuộc loại hình Indica là do 1 locus trực tiếp xác định Còn theo Kuo-Hai-Tsai (1986), Khush và Toenniessen (1991), Dung và Sano (1997) thì có hai nhóm gen điều khiển tính trạng thời gian sinh trưởng của lúa:

- Nhóm gen điều khiển pha sinh trưởng cơ bản (BVP)

- Nhóm gen điều khiển pha cảm ứng quang chu kỳ (PS)

Kuo-Hai-Tsai (1997) phát hiện, có 3 gen điều khiển pha sinh trưởng cơ bản ở lúa là Ef-1,mEf-1 và Lf-1 [19]

Locus Ef-1 (viết tắt là E1) có ít nhất 1 alen lặn (ký hiệu là e) và 5 alen trội (E1,Ea,Eal,Eb,Egamma) Hiệu quả trội của mỗi alen nói trên là rút ngắn thời gian sinh trưởng khoảng vài ngày

Locus mEf-1(m) có 1 alen lặn m và một alen trội không hoàn toàn so với

m (ký hiệu m+) Người ta thấy rằng các alen của các locus nói trên tổ hợp với nhau sẽ có tác động bù trừ làm xuất hiện kiểu hình dại

Theo Khush và cộng sự (1991): rất có thể Ef-1 nằm trên NST số 10,

mEF-1 nằm trên NST số 7 và Lf-mEF-1 nằm trên NST số 3

Kuo-Hai-Tsai (1987) đã nghiên cứu và khẳng định, chính alen E1 cũng như tính át chế mạnh của nó đối với alen E2 trong điều kiện ánh sáng ngày ngắn

đã rút ngắn thời gian sinh trưởng [25]

Theo Okumoto và cộng sự (1996), tập hợp các locus E1, E2, E3 và Se1 điều khiển phản ứng quang chu kỳ, còn locus Ef-1 thì chỉ điều khiển pha sinh trưởng cơ bản ở mỗi nhóm giống này đều có những kiểu gen chính đối với những locus E1, Se1, Ef-1

Theo Trần Duy Quý và cộng sự (1978) cho rằng có 5 gen quy định tính chín sớm Efm, Efk, Efg, Efo và Eff, các alen này có biểu hiện trội hoàn toàn hoặc không hoàn toàn Các giống có thời gian sinh trưởng trung bình mang tổ hợp 5

alen Efm, Efg, Efk, Efo và Eff trong đó Efm có hiệu quả ức chế các alen còn lại Các dạng chín muộn mang 6 alen Ef2

, Efm, Efg, Efk, Efo, Eff, trong đó có 2 alen

Ef2 và Efmức chế hiệu quả chín sớm và kiểm tra tính chín muộn

Khush và Toenniessen (1991) đã kết luận rằng: có 10 locus kiểm tra thời gian sinh trưởng của lúa và chia làm 2 nhóm:

- Nhóm gen điều khiển pha sinh trưởng cơ bàn chủ yếu bị chi phối bởi các locus Ef-1, mEf-1, Ef-2 (hay lf-1), Ef-3(t) (hay lf-2), Ef-4(t) (hay lf-3(t))

- Nhóm gen điều khiển pha cảm ứng quang chu kì bao gồm các locus E1, E2, E3 phối hợp với các locus Se-1, I-Se-1, Se-2, Se-3

Sự phối hợp tác động giữa các locus thuộc hai nhóm gen trên gây nên sự biến đổi về thời gian sinh trưởng ở các giống lúa khác nhau [19]

1.3.2.2 Khả năng đẻ nhánh

Khả năng đẻ nhánh của cây lúa được kiểm tra bởi ít nhất 3 gen đa phân (Polymery) Một số tác giả cho rằng tính trạng này chịu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh và có liên quan trực tiếp tới sự tổ hợp của các alen “Ti1”, “Ti2” và

“Ti3”, đẻ nhánh khoẻ là tính trạng lặn

Nguyễn Minh Công và cộng sự (2000) cho biết: những cây đồng hợp tử về các alen trội của các locus “Ti1”, “Ti2” và “Ti3” có khả năng đẻ nhánh rất yếu hoặc không đẻ nhánh Tuỳ theo cặp alen lặn có trong kiểu gen nhiều hay ít mà khả năng đẻ nhánh mạnh hay yếu, các giống đẻ nhánh khoẻ hoặc rất khoẻ có chứa 3 cặp gen lặn ti1ti1ti2ti2ti3ti3, còn giống đẻ nhánh yếu có chứa một cặp gen lặn, giống đẻ nhánh trung bình hoặc khá có chứa 2 cặp gen lặn

Kinosshita, 1984 đã phát hiện một gen đột biến lặn, ký hiệu là rcn, tác động đa hiệu làm giảm khả năng đẻ nhánh và gây nên tính lùn ở giống lúa đột biến AC-11 trong điều kiện gieo trồng tự nhiên

Maekawa và cộng sự (1991) công bố 4 gen lặn đột biến không alen với ký hiệu là rcn-1, rcn-2, rcn-3, rcn-4, có tác động làm giảm số bông hữu hiệu/khóm,

giảm chiều cao cây ở các mức độ khác nhau, trong đó có cả những gen biểu hiện phụ thuộc vào nhiệt độ (rcn-1, rcn-2, rcn-4)

1.3.3 Sự di truyền một số tính trạng sinh hóa 1.3.3.1 Hàm lượng amylose

Hàm lượng amylose cao có tính trội hoàn toàn so với hàm lượng amylose thấp, nó do một gen điều khiển kèm theo một số gen phụ có tính chất cải tiến Seetharaman (1959), Kahlon (1965), Ghost và Govindaswamy (1972), Hue và Park (1976) [16]

Các nghiên cứu của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam còn cho thấy:

giống lúa có năng suất cao thường có hàm lượng amylose cao trên 25%, chất lượng nấu nướng giảm, cơm cứng Trong khi đó, các giống năng suất thấp thì hàm lượng amylose trong phạm vi thích hợp là 20-25%, do đó chất lượng thơm, ngon, dẻo

Hàm lượng amylose có thể bị biến đổi do điều kiện môi trường nhất là sự thay đổi của nhiệt độ trong thời gian lúa vào chắc, tuy nhiên sự dao động này không quá 6% Julinano (1990) [19]

1.3.3.2 Hàm lượng protein

Hàm lượng protein được điều khiển bởi đa gen, chịu ảnh hưởng bởi môi trường khá mạnh mẽ, Juliano (1990) Hàm lượng protein thấp thể hiện tính trội hơn hàm lượng protein cao, Erickson (1969), Mohanty và Reddy (1972), HilleRisLamber và cộng sự (1973), Chang và Lin (1974), IRRI (1977)

Di truyền tính trạng hàm lượng protein trong hạt gạo do đa gen điều khiển

có hệ số di truyền khá thấp, có thể bị ảnh hưởng mạnh mẽ tương tác giữa kiểu gen và môi trường, Chang và Somrith (1979) Giống có hàm lượng protein cao thường liên kết với đặc tính thời gian sinh trưởng ngắn và trọng lượng hạt nhẹ, HilleRisLamber và cộng sự (1973), Vijayachandra và Mohanty (1977)

1.3.3.3 Độ hóa hồ

Độ hoá hồ biểu thị nhiệt độ cần thiết để làm chín tinh bột hoàn toàn Nhiệt độ hóa hồ có thể liên hệ một phần với lượng amylose của tinh bột, là yếu tố chính quyết định phẩm chất gạo khi đã nấu Nhiệt độ hóa hồ tương quan thuận với thời gian để nấu cơm chín [12]

Quan điểm về sự di truyền tính trạng nhiệt độ hoá hồ chưa có sự thống nhất Có tác giả cho rằng: độ hoá hồ do một gen đơn điều khiển IRRI (1977), Mekenjie và Rutger (1983) Theo Heda và Reddy (1980), độ hoá hồ được xác định bằng nhiều gen Heu và Park (1979), độ hoá hồ cao là trội không hoàn toàn

so với độ hoá hồ thấp [19]

Độ hoá hồ còn là tính trạng rất dễ thay đổi bởi môi trường, đặc biệt là sự thay đổi nhiệt độ khi lúa trổ đến vào chắc hạt, Heu và cộng sự (1976) [16, tr148] Các giống lúa mùa đặc biệt là giống lúa Tám ở nước ta đều có độ hoá hồ thấp hoặc trung bình, nhiều giống lúa chiêm và các giống lúa mới có độ hoá hồ cao,

Lê Doãn Liên (1995) [13]

1.3.3.4 Độ bền thể gel

Theo Tang và cộng sự (1991), độ bền thể gel được điều khiển bởi đơn gen, trong một locus có dãy alen điều khiển độ bền thể gel, ký hiệu geca điều khiển gel trung bình, gecbđiều khiển gel cứng Việc chọn lọc các dòng có độ bền thể gel như ý muốn nên được tiến hành ở thế hệ đầu tiên

1.4 Tác nhân gây đột biến

1.4.1 Tác nhân phóng xạ gây đột biến

Là một tác nhân vật lý gây đột biến quan trọng được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhất Dạng phóng xạ có khả năng gây đột biến ở sinh vật là những dạng phóng xạ không gây ion hóa hoặc gây ion hóa

1.4.1.1 Nhóm phóng xạ không gây ion hóa

Đại diện là tia tử ngoại, có năng lượng thấp chỉ gây kích thích phân tử hấp thu nó, không có khả năng xuyên sâu → chỉ sử dụng gây đột biến ở vi sinh vật và hạt phấn

1.4.1.2 Nhóm phóng xạ gây ion hóa

Phóng xạ hạt là những dòng nguyên tử và hạt sơ cấp chuyển động với tốc

độ thay đổi, được đặc trưng bởi điện tích và khối lượng

- Nhóm hạt sơ cấp nhẹ, những dòng điện tử, pozitron

- Nhóm hạt nặng mang điện tích: proton (hạt cơ bản bền vững, m = 1836e, điện tích e+), detron (nhân của đồng vị phóng xạ H2), α (nhân của

He – 2He4gồm 2 proton, 2 neutron, điện tích 2e+

- Nhóm hạt trung bình: neutron

Phóng xạ điện từ là sóng điện phát ra trong không gian ở dạng dao động điện từ và từ trường như tia X, tia gamma Các sóng điện từ đặc trưng bằng bước sóng λ; C = λ T (T: tần số dao động, C: tốc độ) Trước đây người ta thường dùng

Rn và Ra làm nguồn cho tia gamma, hiện nay thường dùng Co60

và Cs137 Tia gamma 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 gamma có thể thay đổi rất dáng kể dưới ảnh hưởng của các nhân tố nên ngoài như hàm lượng oxi, nhiệt

độ và đặc tính sinh lý, sinh hóa của tế bào[21] Năng lượng của tia gamma tùy thuộc vào tần số bước sóng, được biểu thị bằng công thức:

E = h.T = hc/ λ

Trong đó h: hằng số plăng = 6,62.10-2

T: tần số sóng

C: Tốc độ ánh sáng

λ: bước sóng

Các đơn vị liều lượng:

- Liều lượng phóng xạ xác định bằng cách đo khả năng ion hóa của phóng xạ trong không khí, đơn vị là rơnghen (R – khối lượng phóng xạ tạo

ra trong 1cm3không khí khô (0.001293g) ở 00

C; 760mm Hg)

- Năng lượng hấp thu đo bằng rad, 1rad = 100erg/g

- Đơn vị đo hoạt tính phóng xạ là curi, 1curi là khối lượng của chất phóng xạ mà số phân hủy của nó trong 1 giây bằng 3,7.1010; 1curi tương ứng với lượng phóng xạ 1g radi

1.4.2 Tác dụng của tia gamma nguồn Co 60 lên vật chất di truyền

1.4.2.1 Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp

độ phân tử (tác động lên phân tử ADN)

Khi phóng xạ tia gamma vào dung dịch ADN sẽ gây ra những biến đổi chủ yếu sau:

- 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 latin hay imin, hậu quả là sự sao chép sai của ADN, tạo ADN đột biến ở các thế hệ sau

1.4.2.2 Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp

độ tế bào

Ở cấp độ tế bào, tia gamma (nguồn Co60) có thể làm biến đổi cấu trúc NST và hủy hoại quá trình phân chia tế bào (nguyên phân và giảm phân)

* Tác động của tia gamma (nguồn Co60) lên cấu trúc NST: theo Xvenson [3], bức

xạ ion hóa có thể gây nên sự phân đoạn của NST Có 2 kiểu phân đoạn NST 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 [1] lại cho rằng: phóng xạ ion hóa có thể hủy hoại NST 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 NST

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 cấu, đoạn, vòng khuyên,…

* 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 NST dẫn đến sự chết tế bào

- Gây hiện tượng “hậu kỳ đa cực” hậu quả của nó là gây hiện tượng sai hình NST một cách phức tạp (tạo cầu, đoạn, vòng,…)

- Đôi khi bức xạ liều lượng thấp lại kích thích sự phân bào

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 NST ở diplonem: các bivalent có thể kết dính với nhau tạo thành vòng NST lớn, phần lớn các vòng này đều do chuyển đoạn phức tạp tạo nên

- Gây sai hình NST ở hậu kỳ I hoặc II Các kiểu sai hình thường thấy trong giảm phân là: đứt NST, tạo 1 hoặc 2 đoạn NST và cầu NST; đứt cromatid, tạo ra sự lặp đoạn; tạo cầu cromatid, vòng và 2 đoạn do chuyển đoạn; đứt cromatid, tạo nên cầu cromatid, vòng cromatid ở trạng thái kép; tạo NST có 2 tâm và 2 đoạn, hình thành các đoạn riêng rẽ và cầu cromatid

ở kỳ sau I

1.4.2.3 Tác dụng của phóng xạ đối với thực vật

Theo Kaidin và Linser [1] 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

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 (Phạm Quang Lộc – Luận án PTS 1981)

Cơ chế của sự kích thích sinh trưởng do xử lý phóng xã lên hạt khô được Kuzin A.M (1963) [1], [15] giải thích như sau:

- 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:

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,

• Không gây chết ở thời kỳ muộn mà gây biến đổi về hình thái, sinh trưởng và phát triển

1.4.3 Một số nhân tố ảnh hưởng tới hiệu quả gây đột biến của tia gamma

1.4.3.1 Kiểu gen

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng: các locus khác nhau có khả năng đột biến khác nhau Có alen không đột biến trong một thời gian dài, trong khi alen khác có tần số đột biến cao

Khả năng phát sinh đột biến cảm ứng còn tùy thuộc mức bội thể, thực vật thuộc cùng một loài nhưng có mức bội thể khác nhau thì cảm ứng khác nhau với cùng một loại tác nhân phóng xạ

Khi xử lý phóng xạ lên các giống lúa khác nhau Yamaguchi và Andro (1959) thấy rằng: dạng tam bội (3n) có tinh bền vững hơn dạng lưỡng bội (2n) về

2 chỉ tiêu: chiều cao cây và số bông trên khóm Volodin (1975) giải thích: trong

tế bào đa bội có một hệ thống sửa chữa các cấu trúc bị hư hỏng [18]

1.4.3.2 Độ ẩm của hạt

Độ ẩm của hạt có liên quan chặt chẽ tới sự phát sinh hàng loạt các biến dị

và đột biến Khi chiếu xạ bằng tia gamma lên hạt lúa khô và ướt, Trần Duy Quý

và cộng sự đã kết luận rằng: tần số sai hình NST, đột biến diệp lục và các đột biến nhìn thấy ở M2 trong trường hợp xử lý hạt ướt là cao hơn nhiều so với việc

Các nghiên cứu của Yamaguchi (1963), Phan Phải (1971), Sakharôp và Ph.Ondreev (1972-1974, 1976), Somura (1979), Secbacôp (1981-1982) đã xác định được: giai đoạn giao tử có độ cảm ứng với các tác nhân gây đột biến cao hơn ở giai đoạn hợp tử và giai đoạn tiền phôi, còn giai đoạn nhú mầm và giai đoạn mạ thì mẫn cảm với phóng xạ hơn hạt khô và cây trưởng thành [1]

Như vậy ở giai đoạn càng sớm của quá trình phát triển cá thể thì độ cảm ứng với các tác nhân gây đột biến càng cao

1.4.3.4 Các pha khác nhau của chu kỳ tế bào

Sự biến đổi hình thái, cấu trúc của NST khác nhau trong các pha khác nhau của quá trình phân bào nên mức độ cảm ứng của từng kiểu hình thái, cấu trúc đó với phóng xạ cũng rất khác nhau

Nhiều tác giả cho rằng: hiệu quả di truyền sẽ khác nhau tùy thuộc sự chiếu

xạ vào pha nào của chu kỳ tế bào Chiếu xạ vào pha G1 sẽ gây sai hình NST Chiếu xạ vào pha S sẽ gây sai hình NST hoặc cromatid (vì một số NST đã nhân đôi) và chiếu xạ vào pha G2 gây sai hình cromatid Nếu chiếu xạ vào kỳ trước gây sai hình mức dưới cromatid vì lúc đó đơn vị đứt là một nửa cromatid [1]

Như vậy có quan hệ giữa các pha của chu kỳ tế nào với sự xuất hiện các biến đổi tiềm tàng và chuyển chúng thành các đột biến thật sự

1.4.3.5 Các nhân tố khác

Tính cảm ứng với các tác nhân gây đột biến là có sự phụ thuộc với các yếu

tố bên ngoài Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng: điều kiện chăm sóc có ảnh hưởng tới khả năng đột biến và tính cảm ứng của cơ thể đối với các tác nhân gây đột biến (Orav 1960-1965, Fuji 1960, Yanuske-vich 1962-1963, Batrigin 1965) [18]

Thời tiết bất thuận, đất đai có thành phần cơ giới khác nhau cũng chi phối tần số và phổ đột biến

1.5 Lược sử nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma (Co 60 ) trên lúa trồng (O.Sativa L 2n = 24)

Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ ion hóa trên lúa nước được tiến hành rất sớm (1896) Từ đó đến nay, gần một thế kỷ qua, người ta đã tìm ra nhiều tác nhân gây đột biến và nhiều phương thức xử lý khác nhau nhưng tia gamma vẫn là tác nhân vật lý được nghiên cứu và sử dụng nhiều nhất Có thể coi các nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma trên lúa được tiến hành theo các hướng sau:

1.5.1 Nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma khi

xử lý hạt khô

Các công trình nghiên cứu đầu tiên theo hướng này có lẽ là các nhà khoa học Nhật Bản: Yamada (1971), Nakamura (1918), Hamura (1919-1944), Saiki (1936), sau đó là Yamaguchi và Andro Juji (1962) đã xử lí tia gamma ở các liều lượng khác nhau trên hạt khô 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

Theo KD Sharma (1985): liều lượng gây chết 50% (LD 50) của lúa là

24-40 kR, trung bình là 32,5 kR [13] Các tác giả khác cũng thu được kết quả tương

tự (Wang 1961, Simon 1963, Hedenson 1963)

Cho tới nay có hàng trăm công trình nghiên cứu được công bố theo hướng này: Kawai (1965), Suzuki (1964), Swaminathan (1968-1969), Nguyễn Minh Công (1968), Trịnh Bá Hữu, Lê Duy Thành (1969-1970), Trần Minh Nam (1978)

Wang (1985), Trần Duy Quý (1983, 1985, 1987, 1989…) Shew H.LA và Shai

AQ 1993 Hầu hết các tác giả đều đề cập đến hiệu quả gây đột biến của tia gamma (cùng các tác nhân lý hóa) khi xử lý hạt khô

1.5.2 Nghiên cứu hiệu quả gây đột biến của tia gamma khi

xử lý trên hạt nảy mầm

* Xử lý bằng tia gamma lên hạt lúa nước bão hòa và hạt này mầm

Nhiều tác giả 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)

Kawai (1965-1966), Guud, Fushuhara (1967), Janaka và Stamura (1968), Siddig và Swaminathan (1968-1969), Vũ Tuyên Hoàng (1972), Satoh, Omura (1979), Phan Phải, Bùi Chi Lăng, Nguyễn Quang Xu (1983), Trần Duy Quý (1981-1988) Các tác giả đều đi đến kết luận chung là: hạt ướt có độ cảm ứng phóng xạ cao hơn, cho tần số đột biến hình thái, sinh trưởng và phát triển cao hơn so với xử lí hạt khô [1]

Một số tác giả 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 NST (Savin, Sawanninathan, Sharma,1968), Trần Duy Quý và cộng sự (1977-1987) hoặc nghiên cứu so sánh hiệu quả gây đột biến so với trường hợp xử lý hạt khô (Siddig

và Sawanninathan 1968, Soriano 1971)

Các công trình đó cũng rút ra kết luận tương tự về so sánh hiệu quả gây đột biến tia gamma khi xử lý trên hạt khô so với hạt ướt (Kodisko 1964, Secbakop 1982, Trần Duy Quý 1985-1988,…)

* Xử lý bằng tia gamma (nguồn Co 60 ) vào các thời điểm khác nhau trong quá trình hạt nảy mầm

Nhiều tác giả đã chiếu xạ các loài thực vật khác nhau và đã xác định được độ cảm ứng phóng xạ phụ thuộc vào các pha của chu kỳ tế bào, xếp theo thứ tự như sau: G2 > M > S > G1 Boocdanôp (1965), Scoot và Ewan (1967), Mitrophanop (1969), Demin (1974), Kaznadri (1977), Mitrophanop và Olimpienco (1980)

Nghiên cứu của Trần Duy Quý (1982-1985) khi xử lý tia gamma lên hạt

ẩm và nứt hạt nanh của lúa 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 NST Đào Xuân Tấn (1995) [21], 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 này mầm ở 5 giống lúa nếp đã đi 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

Tuy nhiên cho đến nay, các công trình nghiên cứu có tính hệ thống về hiệu quả gây đột biến của tia gamma trên các giống lúa Tám-Dự còn chưa nhiều

1.6 Một số thành tựu và triển vọng chọn giống lúa bằng phương pháp đột biến thực nghiệm trên thế giới và Việt Nam

Với phương pháp cổ điển, để tạo được một giống cây trồng mới năng suất cao, phẩm chất tốt và ổn định, phải cần từ 8-10 thế hệ Trong khi đó, phương pháp chọn giống bằng gây đột biến thực nghiệm, một giống mới được tạo ra chỉ cần 3-6 thế hệ, thậm chí chỉ cần 2-3 thế hệ [19]

Trên thế giới số lượng hạt giống cây trồng đột biến được tạo ra qua các năm ngày càng tăng trong đó trên 80% giống mới đột biến từ chiếu xạ [4] Theo thống kê của tổ chức FAO/IAEA (Tổ chức lương thực và nông nghiệp/ Cơ quan

năng lượng nguyên tử Quốc Tế): năm 1960 mới chỉ có 7 giống lúa trồng đột biến mới được tạo ra bằng phương pháp gây đột biến thực nghiệm, đến năm 1965 là

30 giống Năm 1969, tại hội thảo về vấn đề “Bản chất, tạo và sử dụng đột biến thực nghiệm ở thực vật” tổ chức tại Pullman (Mỹ), Sigurbonsson và Micke công

bố 1330 giống cây trồng được tạo ra bằng đột biến thực nghiệm Năm 1995, Maluszynski và cộng sự công bố 1790 giống đột biến Đến tháng 12/1997 theo thống kê của Maluszynski và công sự công bố 1874 giống, trong đó các loài ngũ cốc chiếm 1357 giống, trong số này những giống trồng bằng hạt là 1284 giống Trong số 1357 giống ngũ cốc, có 333 giống lúa và trong đó có những giống được công nhận trực tiếp từ những thể đột biến (chiếm 67%), số còn lại do kết hợp với phương pháp lai tạo [19]

Nhiều giống có đặc điểm nông học quý rất được ưa chuộng nên được gieo trồng trên diện tích rộng Ví dụ, giống lúa lùn Reimei (Nhật Bản) năm 1997 có diện tích gieo trồng là 120.000 ha, giống lúa lùn Nanjing No 34 9 (Trung Quốc) năm 1981 có diện tích gieo trồng là 120.000 ha Năm 1982, giống lúa lùn Dongling No 3 (Trung Quốc) 120.000 ha, giống lúa chính sớm Yufanengzao (Trung Quốc) 1000.000 ha Năm 1986, giống lúa năng suất cao Quinghuaai 6 (Trung Quốc) 240.000 ha [19]

* Ở Việt Nam:

Ngành chọn giống đột biến thực vật ở Việt Nam đã đạt được thành quả to lớn và đã có những đóng góp đáng kể trong việc nâng sản lượng lúa, ngô, đậu và nhiều cây trồng khác Có khoảng 50 giống đột biến (lúa, đậu tương, hoa) đã được tạo ra và đưa vào sản xuất [10], trong đó có tới 28 giống lúa đột biến, và 17 giống được gây tạo nhờ chiếu xạ tia gamma Ngoài việc khảo sát các dòng nhập nội, các nhà nghiên cứu Việt Nam đã có nhiều thành công trong việc đóng góp vào kho tàng lý luận và lý thuyết đột biến cũng như đạt được nhiều kết quả trong thực tiễn

Công tác chọn tạo giống bằng ứng dụng tia phóng xạ gây đột biến đã được thực hiện ở nước ta từ những năm đầu thập kỷ 60 do Tiến sĩ Phan Phải, với sự

thành công đầu tiên là giống lúa DT1 Từ đó những kỹ thuật gây đột biến bằng ứng dụng kỹ thuật nguyên tử chủ yếu là dùng tia gamma (Co60) đã được sử dụng

ở các liều lượng khác nhau vào các bộ phận thực vật khác nhau hoặc các thời điểm khác nhau đó chọn tạo ra được những giống cây lượng thực có giá trị trong sản xuất lượng thực các thập kỷ qua Đặc biệt với liều lượng chiếu xạ thấp vào hạt đang nảy mầm hoặc bằng hóa chất NMU với nồng độ thích hợp đã tạo chọn được các giống lúa có năng suất cao, chống chịu tốt, chống chịu sâu bệnh và các điều kiện khó khăn mà bằng phương pháp lai tạo thông thường chưa đạt được kết quả Có những giống tạo ra bằng phương pháp gây đột biến đã đóng góp đáng kể cho công tác sản xuất lương thực xuất khẩu ở các tỉnh phía Nam như giống TNDB-100, VNDD5-20, THDB Có những giống đặc sản cho năng suất cao như Tám Xoan đột biến ở các tỉnh phía Bắc Gần đây nhất, giống OM 2496 tạo ra từ đột biến được công nhận là giống Quốc gia với đặc điểm chịu mặn, năng suất cao, thơm, đem lại lợi nhuận gia tăng hàng năm ước tính 6 tỷ đồng/năm [4]

Trên cơ sở các nguồn gen tự nhiên đột biến đã sáng tạo ra các alen mới chưa tìm thấy trong tự nhiên, bước đầu đã có sự phối hợp chặt chẽ giữa kỹ thuật hạt nhân với nông học và sinh học Từ năm 1995, Việt Nam đã trở thành thành viên của các nước chọn tạo giống bằng ứng dụng kỹ thuật hạt nhân đặc biệt tổ chức của các nước vùng Châu Á-Thái Bình Dương Công tác tạo chọn giống bằng kỹ thuật gây đột biến lại được hỗ trợ của các tổ chức Quốc tế như cơ quan nguyên tử năng lượng Quốc tế IAEA và sự cộng tác có hiệu quả của Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam-VAEC đã đưa công tác chọn tạo giống bằng phương pháp gây đột biến lên một bước mới

Hiện nay hàng loạt dòng, giống đột biến được khảo nghiệm rộng rãi trên đồng ruộng, chắc chắn sẽ có những đóng góp thiết thực vào sản xuất cây lượng thực, thực phẩm trong thời gian tới

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

Các giống lúa tẻ đối chứng:

Tám Thơm đột biến (TTĐB) do Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội và Viện

Di truyền Nông nghiệp tạo ra từ giống lúa gốc Tám Thơm Hải Hậu và được công nhận là giống lúa mới cấp quốc gia năm 2000 Một số đặc điểm hình thái, năng suất và chất lượng của giống lúa khảo nghiệm TTĐB được trình bày ở bảng 1 (Xem phụ lục)

2.1.2 Tám - Dự 1

Tám-Dự 1 (TD 1) là giống lúa thơm, được tạo ra từ tổ hợp lai giữa 2 dòng đột biến đã mất tính cảm quang, phát sinh từ 2 giống lúa đặc sản của tỉnh Nam Định: Dự Hải Hậu và Tám Xuân Đài (Dự đột biến số 2 và Tám Xuân Đài đột biến số 3), chọn lọc theo phương pháp phả hệ, có những đặc điểm ưu việt hơn hẳn so với bố mẹ (Xem phụ lục-bảng 2)

2.1.3 Tám- Dự 2.2

Tám-Dự 2.2 (TD 2.2) là một dòng thuộc giống lúa TD 2 cũng là giống lúa thơm được PGS-TS Nguyễn Minh Công và cộng sự tạo ra bằng phương pháp cho

lai giữa dòng Tám Xuân Đài đột biến số 3 và Dự đột biến số 2 Sau đó chọn lọc theo phương pháp phả hệ và cũng có những đặc điểm ưu việt hơn hẳn bố mẹ (Xem phụ lục-bảng 3)

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Chuẩn bị hạt giống

Hạt giống được chọn có độ thuần cao

Xử lý phóng xạ: hạt giống sau khi ngâm nước trong 24h sẽ được xử lí bằng tia phóng xạ gamma (nguồn Co60) ở M0 tại Trung tâm chiếu xạ Quốc gia

Từ Liêm – Hà Nội

Thu nhận hạt M1 và bắt đầu nghiên cứu ở M2

2.2.2 Tiến hành thí nghiệm ngoài đồng ruộng

Tất cả các lô thí nghiệm đều được bố trí trên cùng thửa ruộng, điều kiện chăm sóc, dinh dưỡng như nhau Việc bón phân, làm cỏ, phòng trừ sâu bệnh được tiến hành theo quy trình thí nghiệm khảo nghiệm giống lúa [2]

Lô đối chứng và các lô xử lý phóng xạ trong cùng một giống được gieo cạnh nhau

Khoảng cách giữa các lô trong cùng một giống là 30 cm, giữa 2 lô của 2 giống khác nhau là 45cm Khi mạ được 4-5 lá thật thì mang cấy, đảm bảo lúa được cấy thưa, đều và mật độ khoảng 35 cây/m2

Theo dõi các thời kỳ sinh trưởng và phát triển của các lô thí nghiệm Phát hiện các biến đổi về hình thái lá, thân, dạng cây, bông, hạt, khả năng đẻ nhánh, thời gian sinh trưởng……so với đối chứng