CƠ SỞ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG THỰC VẬT part 7 potx

132




Mât đoạn Lặp đoạn Đảo đoạn
Xen đoạn Chuyển đoạn
Hình 7.1 Sơ đồ tổng quát các kiểu biến đổi cấu trúc nhiễm sắc thể.

Kiểu xen đoạn ở đây là sự chuyển đọan giữa (interstitial translocation).
II. Đa bội thể và ứng dụng của nó trong chọn giống thực vật
1. Khái niệm và phân loại đa bội thể
Từ bảng 7.1 cho thấy sự biến đổi số lượng nhiễm sắc thể sai khác nhau
ở hai cách cơ bản: (1) Các thể biến dị nguyên bội hay thể đa bội (euploid
variants) có số lượng các bộ nhiễm sắc thể khác nhau; và (2) các thể biến
dị lệch bội hay thể dị bội (aneuploid variants) có số lượng nhiễm sắc thể
cụ thể không phải là lưỡng bội. Nói chung, các kiểu biến đổi số lượng
nhiễm sắc thể ảnh hưởng lên sự sống sót lớn hơn các kiểu biến đổi cấu
trúc nhiễm sắc thể.
• Hiện tượng đa bội (polyploidy)
Các thể đa bội (polyploids) là trường hợp trong đó các sinh vật có ba,
bốn bộ nhiễm sắc thể trở lên (hình 7.1). Nếu ta gọi x là số nhiễm sắc thể
đơn bội cơ bản, khi đó các sinh vật có ba, bốn bộ nhiễm sắc thể sẽ có số
nhiễm sắc thể và tên gọi tương ứng là 3x (thể tam bội: triploid), 4x (thể tứ
bội: tetraploid) Lưu ý: thay vì dùng ký hiệu n để chỉ số nhiễm sắc thể
đơn bội như trước đây, ở đây x chỉ số nhiễm sắc thể trong một bộ và n

133
biểu thị cho số nhiễm sắc thể trong một giao tử. Ví dụ: một sinh vật lục
bội với 60 nhiễm sắc thể (6x = 2n = 60), thì x = 10 và n = 30.

Quả
của thể
đa bội
Quả bình
thường



Nói chung, hiện tượng đa bội thể tương đối phổ biến ở các thực vật
nhưng hiếm gặp ở hấu hết các động vật. Gần như một nửa số thực vật có
hoa là các thể đa bội, kể cả các loài cây trồng quan trọng. Chẳng hạn,
khoai tây tứ bội (4x = 48), lúa mỳ mềm lục bội (6x = 42), và cây dâu tây
bát bội (8x = 56). Ở thực vật bậc cao, Chrysanthemum là một chi điển
hình về hiện tượng đa bội hóa (hình 7.2). Trong quá trình giảm phân ở các
loài thuộc chi này, các nhiễm sắc thể kết đôi tạo thành các thể lưỡng trị,
loài 118 nhiễm sắc thể tạo thành 59 thể lưỡng trị, loài 36 nhiễm sắc thể tạo
thành 18 thể lưỡng trị v.v Mỗi giao tử nhận một nhiễm sắc thể từ mỗi thể
lưỡng trị, vì vậy số lượng nhiễm sắc thể trong mỗi giao tử của bất kỳ loài
nào cũng chính bằng một nửa số lượng nhiễm sắc thể được tìm thấy trong
mỗi tế bào soma của nó. Ví dụ, loài thập bội có 90 nhiễm sắc thể thì tạo
thành 45 thể lưỡng trị, do đó mỗi giao tử sẽ mang 45 nhiễm sắc thể. Nhờ
vậy qua thụ tinh, bộ đầy đủ 90 nhiễm sắc thể của loài này được phục hồi.
Như vậy, các giao tử của cơ thể đa bội rõ ràng là không phải đơn bội như
ở cơ thể lưỡng bội.
Hình 7.3 Sự hình thành thể đa bội với
hoa trái lớn hơn thể 2n bình thường.

Hình 7.2 Đa bội hóa điển hình ở chi
Chrysanthemum, với rất nhiều loài đa

bội thể khác nhau sinh ra từ loài
lưỡn
g
bội
(
2n = 18
)
.
Thông thường, người ta phân biệt hai kiểu thể đa bội: (1) các thể đa

134
bội cùng nguồn hay thể tự đa bội (autopolyploids) là các thể đa bội nhận
được tất cả các bộ nhiễm sắc thể của chúng từ cùng một loài; và (2) các
thể đa bội khác nguồn hay thể dị đa bội (allopolyploids) là các thể đa bội
nhận được các bộ nhiễm sắc thể từ các loài khác nhau. Chẳng hạn, nếu
như một hạt phấn lưỡng bội (không qua giảm nhiễm) từ một loài lưỡng bội
thụ tinh cho một trứng lưỡng bội cũng của loài đó, đời con sinh ra là các
thể tự tứ bội (autotetraploids), hay AAAA, trong đó A biểu thị một bộ
nhiễm sắc thể hoàn chỉnh hay bộ gene (genome) của kiểu A. Mặt khác,
nếu như hạt phấn lưỡng bội của một loài thụ tinh cho một trứng lưỡng bội
của một loài khác có quan hệ họ hàng với loài này, đời con sinh ra sẽ là
các thể dị tứ bội (allotetraploids), hay AABB, trong đó B chỉ bộ gene của
loài thứ hai. Tất cả các bộ nhiễm sắc thể trong một thể tự đa bội đều là
tương đồng, giống như khi chúng ở trong một thể lưỡng bội. Nhưng trong
các thể dị đa bội, các bộ nhiễm sắc thể khác nhau nói chung sai khác nhau
ở một mức độ nào đó, và được gọi là tương đồng một phần
(homeologous), hay tương đồng từng phần (partially homologous).
Trong tự nhiên, các thể đa bội xảy ra với tần số rất thấp, khi một tế bào
trải qua sự nguyên phân hoặc giảm phân bất thường. Chẳng hạn, nếu trong
nguyên phân tất cả các nhiễm sắc thể đi về một cực, thì tế bào đó sẽ có số

nhiễm sắc thể là tự tứ bội. Nếu như xảy ra giảm phân bất thường, có thể
tạo ra một giao tử không giảm nhiễm có 2n nhiễm sắc thể. Tuy nhiên,
trong hầu hết các tình huống, giao tử lưỡng bội này sẽ kết hợp với một
giao tử đơn bội bình thường và sinh ra một thể tam bội. Người ta cũng có
thể tạo ra các thể đa bội bằng cách xử lý colchicine, một loại hóa chất gây
rối loạn sự hình thành thoi vô sắc. Kết quả là, các nhiễm sắc thể không
phân ly về các cực được, và thường thì xuất hiện các thể tự tứ bội.
• Các thể tự đa bội (autopolyploids)
Các cơ thể tam bội (AAA) thường là các thể tự đa bội sinh ra do thụ
tinh giữa các giao tử đơn bội và lưỡng bội. Chúng thường bất dục bởi vì
xác suất sinh ra các giao tử có được cân bằng là rất thấp. Trong giảm phân,
ba cái tương đồng có thể kết cặp và hình thành một thể lưỡng trị, hoặc hai
cái tương đồng kết cặp như là một thể lưỡng trị, để lại nhiễm sắc thể thứ
ba không kết cặp. Tuy nhiên, do tập tính của các nhiễm sắc thể không
tương đồng là độc lập, nên xác suất để một giao tử có chính xác n nhiễm
sắc thể là (½)
n
(sử dụng quy tắc nhân), và xác suất để một giao tử có được
chính xác 2n nhiễm sắc thể cũng là (½)
n
. Tất cả các giao tử khác còn lại sẽ
là không có sự cân bằng và nói chung là không hoạt động chức năng trong
các hợp tử có chứa chúng. Chẳng hạn, hầu hết các cây chuối là các thể tam
bội; chúng sinh ra các giao tử không cân bằng, và kết quả là không có hạt.

135
Các thể đa bội thường lớn hơn các thể lưỡng bội họ hàng (ví dụ, cho
hoa trái lớn hơn; Hình 7.3). Các thể tự đa bội có thể giảm phân bình
thường nếu như chúng chỉ tạo thành các thể lưỡng trị hoặc các thể tứ trị.
Còn nếu như bốn nhiễm sắc thể tương đồng tạo thành một thể tam trị và

một thể đơn trị, thì các giao tử nói chung sẽ có quá nhiều hoặc quá ít các
nhiễm sắc thể.

Con lai bất dục
Con lai bất dục
Sai sót do
giảm phân
Sai sót do
giảm phân
T. aestivum
(2n = 42)
T. turgidum
(2n = 28)
T. fauschii (kiểu dại)
(2n = 14)
Triticum monococcum
(2n = 14)
Triticum kiểu dại
(2n = 14)
Hình 7.4 Sự hình thành lúa mỳ Triticum aestivum dị lục bội (2n = 42) bằng con
đường dị đa bội.
• Các thể dị đa bội (allopolyploids)
Hầu hết các thể đa bội trong tự nhiên là các thể dị đa bội, và chúng có
thể cho ra một loài mới. Chẳng hạn, lúa mỳ Triticum aestivum là một dạng
dị lục bội với 42 nhiễm sắc thể. Qua kiểm tra các loài hoang dại họ hàng

136
cho thấy lúa mỳ này bắt nguồn từ ba dạng tổ tiên lưỡng bội khác nhau,
mỗi dạng đóng góp hai bộ nhiễm sắc thể (ký hiệu AABBDD). Sự kết cặp
chỉ xảy ra giữa các bộ nhiễm sắc thể tương đồng, vì vậy giảm phân là bình

thường và cho ra các giao tử cân bằng có n = 21. Rõ ràng, hiện tượng dị đa
bội đóng vai trò quan trọng trong sự tiến hoá của lúa mỳ (xem Hình 7.4).
Năm 1928, nhà khoa học người Nga, G. Karpechenko đã tạo ra một
thể dị tứ bội đặc biệt; khi ông lai giữa cải bắp Brassica và cải củ Raphanus
sativus, cả hai đều có số nhiễm sắc thể lưỡng bội là 18. Ông muốn tạo ra
con lai có lá của cây cải bắp và củ của cây cải củ. Sau khi thu được các hạt
lai từ một cây lai nhân tạo, đem gieo trồng và phát hiện rằng chúng có 36
nhiễm sắc thể. Tuy nhiên, thay vì thu được các tính trạng như mong đợi,
cây lai này có lá của cây cải củ và củ của cây cải bắp! Hình 7.5 cho thấy
sự hình thành con lai giữa hai loài cải củ và cải bắp nói trên, được gọi là
Raphanobrassica.
Trong trường hợp nếu một hạt phấn đơn bội có bộ gene A thụ phấn
cho hoa của loài có bộ gene B, sẽ cho ra một con lai bất thụ có thành phần
bộ gene AB. Nếu như sau đó xảy ra hiện tượng nội nguyên phân trên một
nhánh, có thể sinh ra các tế bào AABB. Nếu các tế bào này tham gia quá
trình phát sinh giao tử, qua tự thụ phấn sẽ tạo ra một thể dị đa bội. Lợi
dụng đặc điểm này, các nhà chọn giống sử dụng colchicine tác động lên
con lai bất thụ để tạo ra các thể dị đa bội.

Bố mẹ
Thể song nhị bội hữu thụ
Giao tử
Con lai F
1
bất thụ
Hình 7.5 Sự tạo thành thể song nhị bội hữu thụ Raphanobrassica từ hai loài cải
bắp Brassica và cải củ Raphanus đều có 2n = 18
.
• Hiện tượng lệch bội (aneuploidy)
Trong tự nhiên, thỉnh thoảng ta bắt gặp các cá thể có số lượng nhiễm

sắc thể không phải là bội số của số nhiễm sắc thể đơn bội, do chúng bị

137
thừa hoặc thiếu một hoặc vài nhiễm sắc thể cụ thể nào đó. Đó là các thể
lệch bội hay thể dị bội (aneuploids).

Giảm phân I
←
Giảm
phân II
→
Hình 7.6 Sự không phân tách xảy ra trong giảm phân I (bên trái) và giảm phân
II (bên phải) với các giao tử được tạo ra.
Nguyên nhân của hiện tượng lệch bội là sự không phân tách
(nondisjunction) của hai nhiễm sắc thể tương đồng trong quá trình giảm
phân. Sự không phân tách trong giảm phân tự nó được coi là kết quả của
sự kết cặp không đúng cách của các nhiễm sắc thể tương đồng trong giảm
phân sớm đến nỗi các tâm động không đối diện nhau trên mặt phẳng kỳ
giữa, hoặc là không hình thành được hình chéo. Kết quả là cả hai nhiễm
sắc thể cùng đi về một cực, làm cho một tế bào con thừa một nhiễm sắc
thể và tế bào con kia không có nhiễm sắc thể đó. Khi các giao tử bất
thường (n + 1) và (n − 1) này thụ tinh với các giao tử bình thường (n) sẽ
sinh ra các hợp tử có bộ nhiễm sắc thể bất thường tương ứng: thừa một
chiếc (2n + 1), gọi là thể ba (trisomy) và thiếu một chiếc (2n − 1), gọi là
thể một (monosomy). Sự không phân tách phổ biến nhất là trong giảm
phân I, nhưng cũng có thể xảy ra cả trong giảm phân II (hình 7.6). Các
kiểu tổ hợp nhiễm sắc thể khác như 2n + 2 (thể bốn: tetrasomy) hoặc 2n −
2 (thể không: nullisomy) cũng có thể xảy ra, nhưng ở đây ta không quan
tâm. Sự không phân tách cũng có thể xảy ra trong nguyên phân gây ra các
thể khảm về các tế bào bình thường và lệch bội.

Các thể ba được biết đến ở nhiều loài. Ở thực vật, ví dụ điển hình đó là
một loạt các thể ba với những đặc điểm kỳ lạ ở loài cà độc dược Datura
stramonium được Alfred Blakeslee nghiên cứu vào khoảng năm 1920.
Thực ra, người ta đã phát hiện được tất cả các thể ba về từng nhiễm sắc thể
trong số 12 nhiễm sắc thể khác nhau ở loài này; và mỗi thể ba có một kiểu
hình đặc trưng, thể hiện rõ nhất là ở vỏ quả. Điều đó chứng tỏ các nhiễm

138
sắc thể khác nhau có các hiệu quả di truyền khác nhau lên tính trạng này
(hình 7.7).

Hình 7.7
Quả bình thường của cà độc dược Datura (trên cùng) và 12 kiểu thể
ba khác nhau, mỗi kiểu có một vẻ ngoài và tên gọi khác nhau.
Các thể ba cũng được nghiên cứu ở nhiều loài cây trồng như ngô, lúa
gạo và lúa mỳ nhằm xác định các nhiễm sắc thể mang các gene khác nhau.
Ở hình 7.8 còn cho thấy hiệu quả di truyền của các thể khuyết nhiễm liên
quan 7 nhiễm sắc thể khác nhau đối với kiểu bông ở ba giống lúa mỳ khác
nhau (A, B và D).

Hình 7.8 Các thể vô nhiễm liên quan 7 nhiễm sắc thể khác nhau ở ba bộ gene
lúa mỳ (A, B và D) cho các hiệu quả di truyền khác nhau về kiểu hình bông so
với dạng bình thường (hình cuối).

139
2. Sự phân bố và các con đường hình thành thể đa bội trong tự nhiên
2.1. Sự phân bố các thể đa bội trong tự nhiên
Hiện tượng đa bội hoá rất phổ biến trong giới thực vật từ hạ đẳng đến
thượng đẳng, đặc biệt ở thực vật có hoa. Hơn một nữa một số loài thực vật
có hoa là dạng đa bội. Tỉ lệ các dạng đa bội cao nhất là ở cây thảo, nhất là

cây thảo nhiều năm và rất ít ở cây gỗ. Các họ sau có hiện tượng đa bội rất
phổ biến: Polygonnaceae, Rosaceae, Malvaceae, Gramineae, Cyperaceae,
Juncaceae còn ở các họ Fagaceae, Moraceae, Curcurbitaceae thì hiện
tượng đa bội rất ít gặp. Hiện tượng đa bội hoá được hình thành trong các
nhóm cây rất không có qui luật và không có quan hệ rõ ràng đến sự phát
sinh hệ thống. Song, nó lại tuân theo qui luật về phân bố địa lý. Nói chung,
số lượng loài đa bội ở phía bắc lớn hơn ở phía nam rất nhiều. Ví dụ: ở phía
bắc Sahara số lượng các loài đa bội chiếm 37,8% tổng số loài, ở trung âu
là 50% và ở bắc âu là hơn 70%. Ở các vùng khí hậu khắc nghiệt như bắc
cực, hơn 90% số loài là đa bội, nhiều cây trồng có giá trị cao như lúa mì,
khoai tây, bông, thuốc lá,nho, chuối .v.v là những dạng đa bội.
Hiện tượng đa bội giữ một vai trò quan trọng trong quá trình tiến hoá
của giới thực vật. Trong sự sinh sản hữu tính, việc hình thành hợp tử có
thể coi là giai đoạn đầu tiên trong quá trình phát triển của hiện tượng đa
bội, Sự hình thành nội nhũ tam bội do kết quả thụ tinh kép ở thực vật hạt
kín là bước tiến quan trọng tiếp theo và có ý nghĩa rất lớn trong quá trình
tiến hoá. Hiện tượng đa bội giữ một vai trò rất lớn trong sự hình thành các
giống cây trồng. Việc chọn lọc ban đầu xảy ra là vô ý thức, song đã giữ lại
nhiều dạng đa bội vì chúng có nhiều đặc tính tốt, đáp ứng được nhiều yêu
cầu của con người. Ví dụ, theo Mol (1922), cây hoa thuỷ tiên trước đây ở
Hà lan là dạng lưỡng bội (2x = 24), sau đó nó bị thay thế bằng dạng tam
bội (3x = 36); đến năm1989, dạng tứ bội (4x = 48) được trồng phổ biến ở
nhiều nơi.
2.2. Các con đường hình thành đa bội thể
Do sự rối loạn trong quá trình phân bào
Ta biết rằng, trong tự nhiên tồn tại những cơ chế đảm bảo cho sự ổn
định về số lượng nhiễm sắc thể của loài, đó là do các quá trình nguyên
phân, giảm phân và thụ tinh. Tuy nhiên, các cơ chế ấy có thể bị rối loạn do
những nguyên nhân sau đây: 1. Chỉ có nhân phân chia mà tế bào không
phân chia hoặc nhân sau lúc phân chia không phân ly. 2. Các nhiễm sắc

thể sau lúc phân chia không phân ly về các cực hay phân ly không đều. 3.
Có sự gấp bội nhiễm sắc thể mà không có sự phân ly của chúng về hai
cực.

140
Một trong những nguyên nhân trên khi xảy ra đều dẫn đến sự thay đổi
số lượng nhiễm sắc thể trong nhân tế bào và tạo thành những tế bào đa
bội. Tuy con đường phát sinh mà người ta chia ra hai loại đa bội thể: đa
bội thể do quá trình nguyên phân gây ra và đa bội thể do quá trình giảm
phân gây ra. Sự rối loạn của quá trình nguyên phân có thể xảy ra ở các tế
bào soma hoặc vào thời kỳ phân chia thứ nhất của hợp tử. Các mô hoặc cơ
thể đa bội được hình thành từ những tế bào đa bội thường thể hiện không
hoàn toàn. Ở chúng thường xen lẫn các tế bào, các mô có những mức bội
thể khác nhau. Những cơ thể như vậy gọi là thể khảm.
Nếu sự tăng bội bộ nhiễm sắc thể xảy ra vào thời kỳ phân chia thứ nhất
của hợp tử thì tất cả các tế bào phôi sẽ là đa bội và ta có một cơ thể đa bội
hoàn toàn. Hình 7.6 nêu lên sự đa bội hoá về mặt nguyên tắc, xảy ra trong
quá trình giảm phân.
Sự rối loạn trong quá trình phân ly nhiễm sắc thể có thể xảy ra trong
lúc hình thành tế bào sinh dục. Sự không phân ly của các nhiễm sắc thể về
hai cực trong giảm phân dẫn đến sự hình thành những giao tử lưỡng bội.
Sự thụ tinh xảy ra giữa những giao tử này sẽ tạo thành những thể tứ bội.
Nguyên nhân rối loạn của quá trình nguyên phân dẫn đến sự không
phân ly của các nhiễm sắc thể và kìm hãm sự phân chia nhân thường là do
sự bất bình thường của sự co ngắn của nhiễm sắc thể, sự mất tính chất
phân cực của tế bào đang phân chia hoặc sự tăng về độ nhớt của tế bào
chất đưa đến sự thay đổi diện tích của các phần tử keo.
Do quá trình lai tạp
Ngoài nguyên nhân do sự rối loạn của quá trình nguyên phân và giảm
phân, con đường thứ hai để hình thành các dạng đa bội là sự giao phối

giữa các cây thuộc những đơn vị phân loại khác nhau, thường xảy ra giữa
các loài.
3. Đặc điểm di truyền của thể đa bội
3.1. Đặc điểm di truyền của các thể tự đa bội
Thể tự đa bội là những dạng đa bội xuất hiện trên cơ sở gấp bội bộ
nhiễm sắc thể của chính loài đó.
Các thể tự đa bội được áp dụng rất rộng rãi trong chọn giống thực vật
để tạo ra những dạng cây có kiểu gene ổn định. Bằng phương pháp sinh
sản sinh dưỡng và tự thụ phấn, các dạng tự đa bội được duy trì rất lâu.
Trong sinh sản hữu tính, thể tự đa bội cho ra những dạng đồng nhất về số
lượng nhiễm sắc thể và bộ gene nếu như dạng ban đầu là đồng hợp tử. Tuy
nhiên, có một vấn đề rất lớn và đặc trưng cho các thể tự đa bội là khả năng
sinh sản và kết hạt của nó rất kém. Đặc tính này có liên quan chặt chẽ đến

141
qúa trình giảm phân và một số đặc điểm di truyền khác.
Do thể tự tứ bội có sự gấp đôi về số lượng nhiễm sắc thể nên sự tiếp
hợp của các nhiễm sắc thể trong giảm phân của nó khác so với dạng lưỡng
bội. Sự rối loạn của quá trình phát sinh giao tử chính là nguyên nhân cơ
bản làm giảm tính hữu thụ của chúng. Kiểu gene AAaa sẽ cho ra 3 kiểu
giao tử với tỉ lệ 1AA :4A a:1aa. Ở F
2
sự phân ly theo kiểu hình là 35:1. Tỉ
lệ này đã được thực nghiệm chứng minh nhiều lần, mà lần đầu tiên là thu
được trong thí nghiệm về màu sắc tím và trắng của hoa cây Dautura
stramonium.
Khi có sự dị hợp tử về nhiều gene thì khả năng xuất hịên của những
dạng đồng hợp tử lặn ở thể tứ bội thuần còn ít hơn nữa so với dạng lưỡng
bội. Qua đây ta thấy rõ là, đa bội thể đã ngăn cản việc chuyển trạng thái dị
hợp sang đồng hợp tử. Bởi vậy, thể đa bội duy trì tính dị hợp tử tốt hơn

dạng lưỡng bội. Đây là một nguyên tắc rất quan trọng ứng dụng vào việc
duy trì hiện tượng ưu thế lai.
Khả năng sinh sản hữu tính của thể tự tứ bội
Các thể tự đa bội có một nét đặc trưng là khả năng sinh sản hữu tính
kém và đặc tính này rất ổn định. So với dạng lưỡng bội ban đầu, thường
các cây tự tứ bội có khả năng kết hạt kém, hạt phấn ít; bởi vậy sự tăng lên
về trọng lượng hạt không bù đắp lại được sự tổn thất do số lượng hạt bị
giảm sút gây nên. Tuy nhiên, bằng những phương pháp chọn lọc có hệ
thống, có thể nâng cao khả năng sinh sản của nó đến mức gần bình thường
so với dạng lưỡng bội. Đồng thời, cần thấy rằng, khả năng kết hạt kém ở
cây tự đa bội là một đặc điểm rất có giá trị trong việc chọn giống những
cây mà mục đích không phải lấy hạt, như nho, dưa hấu, cam quít, chuối
cây sinh sản sinh dưỡng và cây cảnh.

Hình 7.9 Clarika delicata (B) là một con lai tứ bội (4n) hữu thụ giữa C.
epilobioides (A) và C. ungui (C).

142
Theo Darlington, Kostoff, Mather thì những nguyên nhân gây ra tính
sinh sản kém ở cây tự đa bội chủ yếu là về mặt tế bào học. đó là do sự rối
loạn của quá trình giảm phân. Ví dụ, ở luá mạch tứ bội, đáng lẽ hình thành
những tế bào sinh dục có 14 nhiễm sắc thể thì con số ấy thường lại là 13
hay 15. Những giao tử này hoặc bị chết sớm hoặc kém sức sống thường là
những giao tử đực. Theo quan sát của Fischer, ở ngô tứ bội có khoảng
85% tế bào có từ 8 - 10 bộ 4 nhiễm sắc thể, những cây này có tỉ lệ kết hạt
cao. Còn ở những cây có tỉ lệ kết hạt kém thì số lượng bộ bốn này ít đi.
Tuy nhiên, cũng có những nghiên cứu cho thấy tính hữu thụ kém của
thể tự đa bội, ít hoặc không có liên quan rõ rệt đến sự rối loạn của quá
trình giảm phân.
Xét theo nguyên nhân tế bào học, về mặt nguyên tắc có thể khắc phục

hiện tượng bất thụ bằng cách khống chế sự đa tiếp hợp giữa các nhiễm sắc
thể tương đồng tạo điều kiện cho sự tiếp hợp đôi. Muốn vậy, phải tạo được
những thể tự đa bội nhưng có nguồn gốc lai giữa những dạng có kiểu nhân
rất gần nhau trong cùng một loài. Ví dụ, lai giữa các dạng tự tứ bội của các
thứ lúa thuộc hai loài phụ Japonica và Indica của loài Oryza sativa như
Lương Đình Của (1952) đã làm.
Tóm lại, nguyên nhân gây ra khả năng sinh sản hữu tính kém của các
dạng tự đa bội là do sự khống chế của các nhân tố di truyền và những sự
rối loạn trong quá trình giảm phân. Những biến đổi về mặt sinh lý cũng có
ảnh hưởng đến tính hữu thụ của thể tự đa bội. Song phần lớn chúng là kết
quả của sự tác động của hai loại nhân tố trên.
Khả năng giao phối của thể tự tứ bội và sự tạo thành thể tam bội
Các dạng tự tứ bội thường được đặc trưng bằng khả năng giao phối
của chúng với dạng lưỡng bội ban đầu. Song cần chú ý rằng, nếu lấy dạng
lưỡng bội làm mẹ lai với dạng tứ bội thì không cho kết quả tốt, nhưng nếu
lai ngược lại thì lại có hiệu quả; vì rằng hạt phấn của cây tứ bộicó sức
sống kém. Từ đó sẽ hình thành nên dạng tam bội (3n). Tam bội thể nói
chung không có khả năng sinh sản hữu tính; vì rằng quá trình giảm phân
của nó bị rối loạn. Chẳng hạn, ở dưa hấu tam bội (3n = 33) sẽ hình thành
nên những giao tử có số nhiễm sắc thể từ 0 đến 33. Trong số ấy chỉ những
giao tử có số nhiễm sắc thể là 11 và 22 mới có khả năng hữu thụ. Vì thế,
sẽ có khoảng 95% số giao tử được sinh ra là bất thụ.
Rõ ràng tính bất thụ của của tam bội thể là một nhược điểm rất lớn đối
với các cây lấy hạt. Song lại rất có giá trị đối với những cây lấy quả mà
không cần hạt như dưa hấu, nho, chuối hoặc những cây lấy củ, như củ cải,
củ cải đường hoặc cây dùng cho chăn nuôi hoặc cây cảnh.

143
Lần đầu tiên ở Nhật bản, Kihara Yamashita, Kondo, Nishiyama và
sau đó là Kiss Arpad (Hungari) đã tạo ra dạng dưa hấu tam bội mà hiện

nay được bán phổ biến trên nhiều thị trường thế giới. Loại dưa hấu này
quả to, hương vị ngon, thịt quả dày, hàm lượng đường cao và không hạt.
Dưa hấu tam bội này được tạo ra từ quá trình lai giữa dưa hấu tứ bội (dạng
mẹ) và lưỡng bội. Vì dưa hấu tam bội không cho hạt nên phải có một hệ
thống sản xuất hạt tam bộ riêng. Để có dạng tam bội có sản lượng cao phải
chọn mhững dạng lưỡng bội từ các thứ khác nhau, có khả năng kết hợp
cao. Khi giao hạt tam bội phải gieo thêm một số hàng hạt lưỡng bội, vì hạt
phấn cây tam bội thường kém sức sống, Để phân biệt được cá quả tam, tứ
và lưỡng bội, ta có thể sử dụng những đặc điểm về mặt hình thái được
kiểm soát một cách di truyền. Nếu như dạng tự tứ bội có vỏ quả màu sáng
(g
S
g
S
g
S
g
S
) thì ta dùng cây lưỡng bội cho phần thuộc thứ có vỏ quả màu
xanh (GG) và cây tam bội sinh ra sẽ cho quả có vỏ sọc xanh (Gg
S
g
S
).
4. Phương pháp gây đa bội và chọn lọc đa bội thể
4.1. Các phương pháp gây đa bội thể
Năm 1895 lần đầu tiên Hugo De Vries tìm ra một dạng đa bội trong tự
nhiên ở cây Oenothera lamarckiana. Cây này có kích thước khổng lồ và
sinh trưởng rất nhanh. Nhưng mãi đến 1907, sau công trình nghiên cứu về
tế bào học của Lute người ta mới biết nó là một cây tứ bội. Bằng phương

pháp gây mô tái sinh, Winkler (1916) là người đầu tiên đã thu được những
dạng đa bội ở một số loài cà như Solanum nigrum và S. lycopersicum.
Phương pháp này khá đơn giản: khi cây con được 6; 7 lá thật thì khía 1/2
ngọn cây rồi ghép trở lại chổ cũ, hoặc cắt ngọn chính và những cành bên.
Sau 10-14 ngày, từ vết ghép hoặc chổ bị thương tổn sẽ hình thành nên
những cành mới. Trong số những cành như vậy, có thể có một số là đa
bội. Nguyên nhân gây ra hiện tượng đa bội ở phương pháp này có thể là
do sự hình thành các cành đa bội từ những mô đã bị phân hoá sau khi xử
lý hoặc do sự kết hợp nhân giữa các tế bào của các mô sát thương. Với
phương pháp dùng tia Rơnghen để xử lý, lần đầu tiên vào năm 1930
Goodspeed và Demol đã thu được những dạng đa bội ở thuốc lá và một số
cây khác. Bằng phương pháp lai cũng có khả năng thu được những dạng
cây đa bội. Có ý nghĩa lớn nhất là công trình của Carpesenco (1927) khi
lai giữa củ cải Raphanus sativus với bắp cải Brassica oleracea, con lai thu
được bất thụ, nhưng dạng dị tứ bội của nó lại hữu thụ cao.
Song, việc tạo dạng đa bội bằng những tác nhân hoá học vẫn là
phương pháp được nhiều người chú ý và có hiệu quả nhất. Ngay từ 1896
Gheraximop đã dùng clorofooc, ete, cloralhydrat tác động đến tảo
Spyrogyra. Tuy nhiên, chỉ sau những công trình thực nghiệm của

144
Blakeslee và Avery (1937) về việc sử dụng chất colchicine thì vấn đề đa
bội thể thực nghiệm mới có những bước tiến khổng lồ. Cùng với Blakeslee
và Avery, những công trình rất có giá trị tiếp theo của Levan, Dustin,
Kostov, Navasin, Gheraximop, Lương Đình Của v.v. đã mở ra một kỷ
nguyên mới trong phương pháp gây đa bội thể thực nghiệm.
Khi sử dụng colchicine người ta rút ra những kết luận sau: (i)
Colchicine ở dạng dung dịch có khả năng khuếch tán mạnh vào các mô
thực vật; (ii) Hiện tượng đa bội hoá chỉ xảy ra do tác dụng của colchicine
đến những mô đang phân chia mạnh; (iii) Khả năng cho cây đa bội tăng

lên trong những điều kiện gieo trồng tốt; (iv) Thời gian xử lý thích hợp tuỳ
thuộc vào thời gian phân bào khác nhau của các loài cây; (v) Nồng độ
colchicine được sử dụng tuỳ từng loài cây.
Phương pháp xử lý và thời gian xử lý
Colchicine là một alkaloid có ở nhiều loài thực vật, nhưng chủ yếu là ở
loài Colchicum autumnale (tập trung ở vùng Địa trung hải). Bộ phận của
đối tượng được xử lý có thể là hạt, mầm cây, chồi, nách, rễ, hoa
Colchicine rất dễ tan trong nước, ở dạng dung dịch nó khuếch tán rất
mạnh vào các mô. Trong phạm vi nồng độ từ 0,01% - 1% colchicine đều
gây hiệu quả. Nhưng nồng độ thông dụng nhất cho mọi cây trồng là 0,2%.
Khi xử lý colchicine ở nồng độ cao, thời gian ngắn cho hiệu quả hơn khi
xử lý nồng độ thấp, thời gian dài. Thời gian xử lý có thể thay đổi từ vài
giờ cho đến vài ngày hoặc hơn. Tuy nhiên, nếu thời gian xử lý quá ngắn
thì hiệu quả rất thấp. Theo Dermen, nếu thêm vào dung dịch colchicine
một vài giọt glycerin thì hiệu quả có thể tăng.
• Kỹ thuật xử lý
Xử lý hạt hay mầm: Phương pháp xử lý hạt áp dụng cho nhiều loại cây
có hạt nhỏ và dễ nảy mầm. Nồng độ thích hợp nhất là 0,1% và 0,2%, xử lý
từ 3 giờ đến vài ngày hoặc hơn. Trong một giới hạn nhất định khi nhiệt độ
tăng thì hiệu quả tác dụng của colchicine tăng. Đơn giản nhất là ngâm hạt
khô vào trong dung dịch colchicine hay đặt trên lớp giấy thấm có tẩm
colchicine. Đối với hạt to và khó nảy mầm, nếu xử lý trực tiếp hạt khô vào
colchicine thì hiệu quả rất kém, mà trước đó phải ngâm hạt bằng nước.
Phương pháp xử lý mầm cho hiệu quả cao nhất. Phương pháp chung la
ngâm hạt đang nảy mầm vào dung dịch vào dung dịch xử lý. Với từng loại
cây thời gian và nồng độ xử lý mầm thích hợp có khác nhau. Ở những hạt
nảy mầm đã có rễ hay cây con thì chỉ xử lý mầm bằng cách đặt ngược
mầm vào dung dịch colchicine chứa trong đĩa Petri qua lớp vaỉ màn hoặc
thấm colchicine lên mầm bằng bàn chải mềm. Ví dụ:

145
- Lúa (Lương Đình Của, 1951): Đặt hạt trong đĩa Petri cho nảy mầm.
Khi mầm dài 3 -5 cm dùng dao khía xiên một nhát ở gốc mầm. Kẹp một
sợi bông thấm nước có tẩm dung dịch colchicine 0,05 - 0,1% hoặc rỏ dung
dịch colchicine ấy vào vết cắt. Xử lý 2 lần /1 ngày. Sau lần xử lý thứ hai
rửa sạch mầm và trồng trong nhà kính.
- Củ cải (Taraxevich, 1965): Ngâm hạt nảy mầm trong dung dịch
colchicine 0,05%-0,1% trong 6-12 giờ hoặc ngâm mầm non trong dung
dịch colchicine 0,1% trong 6 giìơ.
- Ngô (Sumnui, 1961)" Hạt sau khi nảy mầm ngâm vào dung dịch
colchicine 0,2% trong 18-24 giờ. Cũng có thể xử lý như sau: Khi chồi
mầm dài 2-3cm khía một nhát ở gốc mầm rồi nhét vào đấy một lát bông có
tẩm dung dịch colchicine 0,2% một ngày đêm; tẩm ướt lát bông bằng
colchicine 2-3 lần.
Xử ký các bộ phận khác của cây
- Ở cây thuộc họ Hoà thảo (Poaceae) phương pháp xử lý cho hiệu quả
cao: ngâm toàn bộ rễ vào dung dịch xử lý. Ngâm luân phiên 12 giờ ở dung
dịch xử lý rồi lại 12 giờ ở trong nước.
- Với các mầm nách, người ta đặt lên đấy hỗn hợp ở dạng sền sệt của
colchicine với lanonin hay tiêm trực tiếp dung dịch colchicine vào mầm.
- Với hoa, có thể ngâm trực tiếp vào dung dịch colchicine 0,02-0,05%.
Ngoài colchicine, để gây tạo cây đa bội người ta còn hay dùng chất
acenaphthen. Vì chất này tan rất kém trong nước, nên thường được dùng ở
nồng độ thấp. Ví dụ, với hạt lúa mì dùng dung dịch acenaphthen 0,002%.
4.2. Phương pháp chọn lọc đa bội thể
Tuỳ theo đối tượng và mục đích nghiên cứu mà có các phương pháp
chọn lọc đa bội thể khác nhau. Nếu mục đích cuối cùng là tạo ra một dạng
tứ bội có phẩm chất cao thì phải tiến hành trên những dạng lưỡng bội và
con lai tốt nhất với số lượng cá thể nhiều nhất trong phạm vi có thể. Nếu
mục đích là tạo ra dạng tứ bội dùng để lai với dạng lưỡng bội thì dạng

lưỡng bội ban đầu phải thuần và có kết hợp cao.
Nói chung, phương pháp gây đa bội thể ở các cây giao phấn có hiệu
quả cao và rõ rệt hơn ở cây tự thụ phấn. Nguyên nhân là do, chúng mang
tính dị hợp tử cao nên có khả năng sinh sản biến dị nhiều.
Về nguyên tắc mà nói, dùng colchicine có thể gây tạo được các tế bào
đa bội vào bất kỳ giai đoạn phát triển nào của cây. Song thực tiễn phức tạp
hơn nhiều. Thường sau lúc xử lý hạt, mầm, chồi các cây được sản sinh ra
thuộc dạng khảm, tức là trong cơ thể của nó có sự xen lẫn giữa các mô có
mức bội thể khác nhau, thường là 2n và 4n. Về mặt lý thuyết, có lợi nhất

146
là tác động vào lần phân chia đầu tiên của hợp tử . Cây được sinh ra từ đó
sẽ là đa bội hoàn toàn.
Các cây đa bội mới thu được chỉ là những dạng khởi đầu cho công tác
chọn giống về sau. Không thể đem nó so sánh trực tiếp với những dạng
lưỡng bội đã kinh qua chọn lọc.
Khi tiến hành nghiên cứu phải tiến hành trên một quần thể lớn. Nói
chung, khi chọn đối tượng phải tìm những loài có số lượng nhiễm sắc thể
ít. Việc kiểm tra và chọn lọc phải tiến hành ngay từ sau khi xử lý gây đa
bội. Ngay từ thế hệ C
0
phải kiểm tra tính khảm của các cây được xử lý. Ở
những cây này đỉnh sinh trưởng và chiều cao cây bị kỳm hãm khá mạnh
và đôi khi có những biến đổi sâu sắc. Phải thường xuyên loại bỏ những
cành lưỡng bội được hình thành trở lại, tạo điều kiện cho sự tạo thành
những cành tứ bội. Sau sự kiểm tra sơ bộ về hình thái và giải phẩu thì tách
riêng các cây nghi là là đa bội và kiểm tra lại bằng cách xác định kích
thước hạt phấn và số lượng nhiễm sắc thể.
Đối với những cây khảm, nên phân thành một số nhóm theo những đặc
điểm hình thái: (1) Nhóm cây có sai khác rất ít so với dạng lưỡng bội ban

đầu; (2) Nhóm các cây phát triển bình thường, nhưng khác với dạng ban
đầu về màu sắc, kích thước, lá ; (3) Nhóm gồm những dị dạng đặc biệt.
Để xác định tính đa bội, người ta còn dùng các chỉ tiêu về kích thước
tế bào khí khổng và số lượng lục lạp. Người ta thấy rằng, kích thước tế
bào khí khổng lồ ở dạng tứ bội thường lớn hơn ở dạng lưỡng bội 25-35%.
và số lượng lục lạp ở dạng tứ bội cao hơn ở dạng lưỡng bội 30-50%.
Ngoài phương pháp tế bào học (đếm số lượng nhiễm sắc thể), chỉ tiêu về
kích thước hạt phấn là một bằng chứng để xác định tính đa bội.
Trong thế hệ C
1
việc chọn lọc có nhiều khó khăn hơn. Vì bên cạnh
những cây những cây tứ bội va lưỡng bội, thường xuất hiện những cây tam
bội do giao phấn giữa hai loại trên. Mà những cây tam bội thì chúng có
nhiều đặc điểm hình thái và giải phẩu mang tính chất trung gian giữa
lưỡng bội và tứ bội. Việc chọn lọc ở C
1
dựa vào những tiêu chuẩn giải
phẩu, hình thái và xác định số lượng nhiễm sắc thể.
Trong các thế hệ sau, đồng thời với việc chọn lọc theo những tiêu
chuẩn hình thái, giải phẩu và tế bào như trên, cần chú ý đến các đặc điểm
về sinh lý, sinh hoá, di truyền (đặc biệt là tính hữu thụ), kinh tế Sau thế
hệ C
1
đã có thể tách riêng từng dòng có nhiều đặc điểm mong muốn. Đối
với những dòng này phải có chế độ gieo trồng với những điều kiện sống
thuận lợi để cũng cố những đặc điểm tốt. Đối với những dòng đặc biệt có
nhiều triển vọng, phải tiến hành nghiên cứu so sánh những yêu cầu đề ra
và khắc phục những nhược điểm khác bằng các phương pháp chọn giống

147

khác như lai tạo, gây đột biến
Tóm lại, việc tạo ra thể đa bội chỉ là bước đầu trong công tác chọn
giống đa bội thể thực nghiệm. Để có kết quả tốt, không những phải có
phương pháp xử lý thích hợp mà còn phải áp dụng một cách có hiệu quả
các bước tiếp theo là kiểm tra, chọn lọc và kết hợp với các phương pháp
chọn giống khác như lai tạo, gây đột biến.
III. Phát sinh đột biến thực nghiệm trong chọn giống thực vật
1. Lược sử nghiên cứu và ứng dụng PSĐB thực nghiệm trong chọn giống
thực vật
Lịch sử nghiên cứu phát sinh đột biến (PSĐB), theo Auerbach (1978)
có thể chia làm 5 giai đoạn sau:
Giai đoạn I (từ 1890 đến 1927): Ở giai đoạn này các nhà khoa học bắt
đầu nghiên cứu về đột biến, đưa ra những khái niệm cơ bản về đột biến và
tìm ra phương pháp hữu hiệu để nghiên cứu chúng. Đáng chú ý nhất là
công trình nghiên cứu đột biến của Hugo De Vries (1895) ở cây
Oenothera lamarckiana với "thuyết đột biến " nổi tiếng công bố vào năm
1901, chính ông đưa ra thuật ngữ "đột biến". Đến năm 1904, chính De
Vries lại đề nghị sử dụng tia X để tạo ra các đột biến. Tuy nhiên, mãi đến
năm 1927 Muller mới đưa ra được bằng chứng xác thực đầu tiên về chiếu
xạ ion hoá gây ra các đột biến ở ruồi giấm Drosophila. Từ năm 1925
Natxon và Philipop phát hiện ra tia X có khả năng gây ra biến dị di truyền
ở vi nấm.
Giai đoạn II (từ năm 1927 đến đầu chiến tranh thế giới II): Giai đoạn
này đánh dấu bằng những công trình xuất sắc của Hermann Muller với
bằng chứng xác thực đầu tiên về chiếu xạ ion hoá gây ra các đột biến ở
ruồi giấm Drosophila. Trong khi đó Stadler (1928) tiến hành gây đột biến
ở lúa đại mạch và ngô bằng tia X và tia gamma và chỉ rõ tần số đột biến
cảm ứng phụ thuộc vào liều xạ tổng số của tác nhân gây đột biến. Thực ra,
một loạt thí nghiệm đã được Stadler bắt đầu từ 1924 làm cho tên tuổi của
ông vang dội (IAEA, 1995) v.v.

Giai đoạn III được tính từ đầu chiến tranh thế giới II đến năm 1953.
Giai đoạn này được đánh dấu bằng hàng loạt các công trình phát hiện ra
các chất đột biến của Sakharov (1938-1939), Rapoport (1940-1948),
Gustafson (1940-1948) Đó là những chất như Ethylenimine (EI),
Diethylsulfate (DES), dimethylsulfate (DMS), Nitrosomethylurea (NMU),
Nitrosoethylurea (NEU) trên các động vật, vi sinh vật và thực vật.
Giai đoạn IV (từ 1953 đến 1965): Ở giai đoạn này, kể từ khi Watson
và Crick khám phá ra mô hình cấu trúc phân tử DNA, các nhà di truyền

148
học và hoá sinh tập trung chủ yếu vào nghiên cứu thành phần, cấu trúc hoá
học của nucleic acid, cơ chế phân tử của quá trình phát sinh đột biến, tiêu
biểu là các công trình của Brenner (1961), Henning (1962), Lovless
(1963-1965), Xoifer, Dubinin Các tác giả đều đi đến kết luận rằng các
quá trình biến đổi trên phân tử DNA đều liên quan đến quá trình sao chép,
tự phục hồi và xuất hiện các đột biến.
Giai đoạn V (từ 1965 đến nay) xuất hiện hàng loạt công trình nghiên
cứu về đột biến ở động vật, thực vật và vi sinh vật với các tác nhân vật lý
và hoá học khác nhau như tia X, tia gamma, chùm neutron, tia laser cùng
các hợp chất alkyl hoá, các hợp chất nitroso Nét nổi bật nhất ở giai đoạn
này là làm sáng tỏ bản chất di truyền của các đột biến và sử dụng tập đoàn
phong phú nguồn gen đột biến để tạo giống cây trồng mới. Chẳng hạn,
theo thống kê của FAO (1996) thế giới đã tạo ra được 1870 thứ cây trồng
và hàng chục vạn chủng, nòi vi sinh vật được áp dụng rộng rãi trong y
học, chăn nuôi, nông nghiệp, bảo quản và chế biến nông sản, thuốc trừ
sâu sinh học đem lại hiệu quả kinh tế vô cùng to lớn cho nhân loại.
2. Phân loại các tác nhân gây đột biến
Nhìn chung, trong lịch sử nghiên cứu PSĐB thực nghiệm ở cây trồng
có hai hướng nghiên cứu chính, dựa trên hai loại tác nhân gây đột biến vật
lý và hoá học được sử dụng, đó là: PSĐB bằng chiếu xạ ion hoá và PSĐB

bằng xử lý hoá học. Trong đó, các nghiên cứu theo hướng sau được bắt
đầu muộn hơn hướng đầu chừng 10 năm, kể từ sau các công trình nổi
tiếng của Rapoport (1939 - 1943) và Auerbach (1943; 1947) phát hiện ra
một loạt các hoá chất có khả năng gây đột biến mạnh, người ta mới kể đến
sự ra đời của hướng nghiên cứu này (Lê Duy Thành, 2000).
Đặc biệt, nhờ sử dụng các tác nhân gây đột biến cực mạnh
(supermutagenes) thuộc nhóm alkyl hoá, các nhà khoa học đã nâng cao tần
số đột biến lên hàng trăm, thậm chí hàng ngàn lần. Hướng nghiên cứu này
ở các loại ngũ cốc đặc biệt phát triển mạnh từ thập niên 1960 đến nửa đầu
thập niên 1980. Ngoài ra, còn có nhiều công trình nghiên cứu phối hợp sử
dụng cả hai loại tác nhân vật lý và hoá học. Một số kết quả thu được ở lúa
cho thấy hiệu quả gây đột biến của một số hoá chất (như EI, DES, DMS,
NEU, NMU), trong một số trường hợp là cao hơn so với chiếu xạ ion hoá
bằng tia X, tia γ.
2.2. Tác nhân phóng xạ gây đột biến
Đây là các dạng phóng xạ có khả năng ion hoá mạnh. Theo phương
thức truyền năng lượng, người ta phân nó làm hai loại: phóng xạ hạt và
phóng xạ điện từ. Phóng xạ hạt gồm ba nhóm: Nhóm hạt sơ cấp nhẹ, các
dòng điện tử, pozitron; nhóm hạt nặng mang điện tích (proton, detron, hạt

149
α); và nhóm hạt neutron. Còn phóng xạ điện từ bao gồm chủ yếu là tia
Rontgen (còn gọi là tia X) và tia
γ
. Các sóng điện từ (phát ra trong không
gian dưới dạng dao động điện từ và từ trường) đặc trưng bằng bước sóng
λ

qua công thức:
C = √.λ

trong đó C là tốc độ, √ là tần số dao động. Các kiểu phóng xạ và nguồn
phóng xạ được Briggs và Constantin mô tả đầy đủ trong IAEA (1977).
Các dạng phóng xạ dùng trong chọn giống cây trồng
Trong chọn giống, các dạng phóng xạ được sử dụng phổ biến gồm có:
tia X, neutron, các chất đồng vị phóng xạ và tia γ. Trong số đó tia γ từ
nguồn phóng xạ Co
60
và Cs
137
dùng để chiếu xạ hạt giống đã trở thành
phương pháp chính dùng để gây đột biến trong cải tiến giống cây trồng.
Liều tới hạn đối với các giống lúa
Để thu được nhiều đột biến có giá trị chọn giống cao mà không gây
phương hại đến sức sống, độ hữu thụ hoặc gây chết cây, người ta đã tìm
ra liều lượng tới hạn cho nhiều loài cây khác nhau. Theo đó, ở M
1
chỉ còn
30 - 40% cây sống sót và ra hoa kết quả (LD
30 - 40
). ở cây lúa, liều lượng
này là 30 - 50 kR. Trong nghiên cứu chọn giống phóng xạ, người ta
thường dùng liều LD
50
. Theo Sharma (1986), liều LD
50
trung bình của tia
γ dối với lúa là 32,5 kR, biến thiên từ 25 đến 40 kR. Trong giới hạn đó,
nói chung, giữa liều lượng tổng số của các tác nhân gây đột biến và tần số
các đột biến cảm ứng có mối tương quan tỷ lệ thuận (Gustafsson và Gadd,
1966). Ngoài ra, người ta cũng tìm ra liều lượng thích hợp (thường thấp

hơn liều tới hạn 1,5-2 lần) cho công tác chọn giống đối với một số cây
trồng. Ở lúa, đối với xử lý hạt khô, liều này là 15 - 20 kR; đối với hạt hút
nuớc bão hoà, liều thích hợp là 10-15 kR.
Phương thức tác dụng của tia phóng xạ trên tổ chức sống
Theo hiểu biết hiện nay, các mô bị chiếu xạ sau khi nhận năng lượng
của bức xạ ion hoá chịu những biến đổi qua hai giai đoạn hoá - lý và sinh
học. ở giai đoạn hoá lý (10
-10
- 10
-6
s), một photon của tia γ tác động vào
một điện tử trên quỹ đạo nguyên tử của vật chất sống. Sau khi bị kích
hoạt, điện tử tách ra và do đó nguyên tử mang điện tích dương. Điện tử
được tách ra (quang điện tử) có năng lượng rất cao có thể gây ra sự ion
hoá tiếp theo trên đường vận động của nó. Hậu quả là gây nên các tổn
thương hoá - sinh. ở giai đoạn sinh học (có thể kéo dài từ vài ngày đến
hàng chục năm): nếu như các tổn thương hoá - sinh không hồi phục được
sẽ kéo theo các rối loạn chuyển hoá dẫn đến các tổn thương hình thái và
chức năng.

150
Tóm lại, hiệu quả sinh học quan sát được sau quá trình bức xạ ion hoá
là một kết quả tích luỹ của tác dụng trực tiếp của tia phóng xạ lên phân tử
ADN hoặc gián tiếp thông qua các phân tử khác trong tế bào trước khi
truyền vào ADN.
3. Ảnh hưởng của các đặc tính di truyền sinh vật lên sự PSĐB
Những sai khác về độ nhạy cảm phóng xạ (radiosensitivity) giữa các
kiểu gen bên trong một loài đã được thông báo và trong một số trường hợp
những sai khác đó có thể là tương đối lớn (Conger và Konzak 1977). Tuy
nhiên, những sai khác về độ nhạy cảm phóng xạ giữa các kiểu gen trong

một loài thường ít hơn nhiều so với giữa các loài. Vì vậy, các nhà chọn
giống thực vật muốn gây tạo đột biến ở một giống cụ thể nếu chưa hiểu rõ
mức nhạy cảm phóng xạ, thường phải tiến hành các thí nghiệm xác định
phản ứng liều sơ bộ.
Năm 1962, Fujii thông báo rằng, các giống lúa từ các miền nhiệt đới
như Burma (Myamar) và ấn Độ ít nhạy cảm hơn các giống ở Nhật và Đài
Loan. Năm 1967, Ukai tiến hành nghiên cứu trên quy mô gồm 70 giống đã
phát hiện ra rằng, những khác biệt tối đa về độ nhạy cảm phóng xạ trong
số 70 giống là gấp 3,5 lần khi các hạt khô được đem chiếu xạ gamma và
sự sinh trưởng rễ được đo 4 ngày sau nẩy mầm. Ngoài ra, các kết quả của
Ukai (1970) còn cho thấy mức nhạy cảm phóng xạ của các giống lúa được
di truyền với hệ số di truyền cao (Dẫn theo Ukai, 1997).
Siddiq và Swaminathan (1968) cho hay, các giống Indica có khả năng
chống lại phóng xạ cao hơn các giống Japonica và Javanica. Các kết quả
nghiên cứu khác cho thấy độ nhạy cảm phóng xạ của các giống Indica
thay đổi trong phạm vi rộng và khác với các giống Japonica. Điều này chỉ
ra rằng, nền di truyền của vật liệu nghiên cứu đóng vai trò quan trọng
trong việc xác định tính hiệu quả và hiệu suất của các tác nhân gây đột
biến (Mikaelsen và cs, 1971; Sharma, 1986). Từ đây, ta dễ dàng nhận ra
mối quan hệ phụ thuộc giữa kiểu gen của từng nhóm giống và các đặc
trưng của quá trình phát sinh đột biến (như tần số và phổ đột biến) tuân
theo quy luật dãy biến dị tương đồng do Vavilov đưa ra năm 1920.
Cần nói thêm rằng, mức nhạy cảm phóng xạ đối với tia γ của 28 giống
Japonica và 19 giống Indica được kiểm tra cho thấy phạm vi liều hữu ích
đối với chọn giống đột biến, tương ứng là 12-25 krad và 15-30krad
(IAEA, 1977).
Hiệu quả của chiếu xạ tia
γ
vào hạt khô và hạt ướt
Bên cạnh một số công trình đã đề cập, cho đến nay, trên thế giới còn

có rất nhiều thông báo theo hướng nghiên cứu này (Donini và cs, 1984;

151
Kawai, 1966, Siddiq và Swaminathan, 1968). ở nước ta, các kết quả
nghiên cứu trong lĩnh vực này cũng được công bố khá sớm (Trần Minh
Nam, 1968 - 1970; Trịnh Bá Hữu, Lê Duy Thành và Trần Duy Quý, 1970;
Nguyễn Minh Công, Lê Đình Trung và Phạm Quang Lộc, 1978; Trần Duy
Quý và cs, 1978 v v. Nhìn chung, các tác giả đều đi đến nhận định rằng,
xử lý hạt ướt cho tần số và phổ của các đột biến cấu trúc NST cũng như
của các đột biến hình thái và sinh trưởng - phát triển là cao hơn so với xử
lý hạt khô.
Hiệu quả của chiếu xạ tia
γ
vào hạt nảy mầm ở các thời điểm khác nhau
Kết quả nghiên cứu về xác định các pha của chu kỳ nguyên phân đầu
tiên ở hạt nảy mầm các giống lúa Japonica cho thấy: ở 25
0
C, thời gian hạt
hút nước bão hoà chuẩn bị nảy mầm là 36h, và quãng thời gian tiếp theo
tương ứng với các pha như sau : 36h - 57h30: pha G
1
; 57h30 - 60h: pha S;
60h - 71h30: pha G
2
; và 71h30-77h : pha M (Yamaguchi và Matsubayashi,
1971). Hơn nữa, các kết quả chiếu xạ ở các loài thực vật khác nhau cho
thấy sự phụ thuộc của độ cảm ứng phóng xạ vào các pha của chu kỳ tế
bào, theo thứ tự như sau: G
2
> M > S > G

1
.
Từ những kết quả nói trên, ở nước ta đã xuất hiện một số công trình
nghiên cứu về hiệu quả gây đột biến của các tác nhân vật lý và hoá học lên
hạt nảy mầm ở các thời điểm khác nhau của một số giống lúa. Đầu tiên là
nghiên cứu so sánh hiệu quả của xử lý riêng rẽ và phối hợp giữa tia γ và
NMU, NEU (Nguyễn Minh Công, Lê Đình Trung và Phạm Quang Lộc,
1978 - 1982; Phạm Quang Lộc, 1987). Sau đó, hướng nghiên cứu này
được triển khai bằng chiếu xạ tia gamma trên một số giống lúa nếp (Đào
Xuân Tân, 1995) và một số giống lúa tẻ đặc sản (Đỗ Hữu ất, 1997). Nói
chung, các công trình trên đây đều cho thấy: (1) Liều 5kR và thời điểm
50h cho hiệu quả không đáng kể; (2) Xử lý ở thời điểm 69-72h với hai liều
10 và 15kR cho tần số cao về các đột biến có ý nghĩa chọn giống.
4. Các nghiên cứu về cơ chế phát sinh và di truyền của các thể đột biến
Theo Hajra và cs (1980), việc gây đột biến ở lúa lần đầu tiên được
thông báo bởi Yamada năm 1917. Kế tục các công trình của ông về chiếu
xạ tia X lên hạt lúa là hàng loạt công trình được tiến hành trong thập niên
1930. Từ thập niên 1950, việc chiếu xạ hạt lúa bằng tia γ mới trở thành
phương pháp chính trong chọn giống đột biến. Trong những năm 1960,
các nghiên cứu sử dụng neutron trong chọn giống thực vật được bắt đầu.
Từ cuối thập niên 1950 đến nửa đầu thập niên 1960, nhiều nghiên cứu
được tiến hành nhằm thu thập thông tin cơ sở về sự tổn thương do chiếu
xạ ở cây M
1
và tần số khả dĩ tạo ra các đột biến quan sát được ở M
2
. Hiệu
quả của phương pháp chiếu xạ được quan tâm chủ yếu trong giai đoạn đầu

152

của các nghiên cứu là tần số của các ĐBDL ở M
2
. Tuy nhiên, sau đó người
ta chuyển sang xem xét tổng tỷ lệ các đột biến có lợi như chín sớm và bán
lùn mà vốn dễ dàng phát hiện ở đồng ruộng. Mặc dù chiếu xạ một lần hạt
khô đã được các nhà nghiên cứu sử dụng như là một phương pháp chính,
song nhiều phương pháp chiếu xạ gamma cải tiến, như chiếu ngắt quãng
(Yamaguchi, 1958a) và chiếu lặp lại nhiều lần (Yamaguchi, 1962b) đã
được thử nghiệm. Các nghiên cứu so sánh hiệu quả gây đột biến giữa các
tác nhân đột biến khác nhau cũng được bắt đầu.
Các nghiên cứu chiếu xạ gamma và tia X ở các giai đoạn sinh trưởng
khác nhau của cây lúa nhằm xác định tỷ lệ sống sót (TLSS) và độ hữu thụ
của bông ở M
1
, tỷ lệ ĐBDL ở M
2
và tần số các đột biến ở M
3
được tiến
hành từ đầu thập niên 1960 (Kawai, 1962; Yamagata và Shakudo, 1963;
Osone và Oono, 1970).
Trong lịch sử nghiên cứu, theo Ukai (1997) [239] nhiều công trình lý
thuyết đã được tiến hành nhằm tìm ra một phương pháp chọn lọc hiệu quả
hơn. Yamaguchi (1959) đề nghị dùng phương pháp sib của Fisher để ước
tính tần số phân ly của các thể đột biến trên mỗi đời con. Yamagata và
Shakudo (1963a) đề nghị nên chọn lọc các thể đột biến ở M
3
hoặc các thế
hệ sau đó, mặc dù họ không phủ nhận ích lợi của việc chọn lọc ở M
2

.
Cũng trong năm này, Osone tiến hành một chương trình nghiên cứu quy
mô nhằm kiểm tra mối quan hệ giữa tần số và phổ ĐBDL ỏ M
2
và vị trí
của hạt bị đột biến trên mỗi bông M
1
trong trường hợp chiếu xạ hạt bằng
tia γ. Từ kết quả thu được, ông kết luận rằng, các mô khởi sinh của một
bông M
1
gồm nhiều nhóm, mỗi nhóm bắt nguồn từ một tế bào khởi đầu
thuộc mô phân sinh chồi trong các hạt được chiếu xạ. (Ukai, 1997).
5. Các phương pháp phát hiện, thu thập các thể đột biến và sử dụng chúng
Cho đến nay, các quy trình và phương pháp phát hiện và chọn lọc các
thể đột biến đã được đúc kết và phân tích thấu đáo. Ví dụ, ở cây lúa, thân
là cơ quan quan trọng gắn chặt với khả năng chống đổ, và do đó ảnh
hưởng tới năng suất hạt. Vì vậy, thân luôn luôn được kể đến như là đặc
điểm quan trọng trong công tác chọn giống lúa gần đây. Bằng phương
pháp đột biến, hàng loạt giống lúa thấp cây và cứng cây cùng với khả năng
cho năng suất cao, chống chịu sâu bệnh và chất lượng tốt lần lượt được tạo
ra trong suốt bốn thập kỷ qua. Chính điều này đã góp phần tạo nên cuộc
"Cách mạng xanh" từ giữa thập niên 1960. Tính lùn (dwarfism, dwarfness)
được định nghĩa như là một đặc trưng xác định về mặt di truyền, trong đó
chiều cao cây tại thời điểm chín là thấp hơn kiểu bình thường. Dựa theo sự
giảm chiều cao cây, có thể mô tả và phân loại tính lùn theo nghĩa rộng
thành ba nhóm: bán lùn (semidwarf), lùn (dwarf, theo nghĩa hẹp) và cực