Nghiên cứu nâng cao năng suất, chất lượng một số dòng lúa kháng bệnh bạc lá bằng phương pháp đột biến và chỉ thị phân tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
--------------------***--------------------

NGUYỄN THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO NĂNG SUẤT, CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ
DÒNG LÚA KHÁNG BỆNH BẠC LÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘT
BIẾN VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

HÀ NỘI – 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
--------------------***--------------------

NGUYỄN THỊ HỒNG

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO NĂNG SUẤT, CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ
DÒNG LÚA KHÁNG BỆNH BẠC LÁ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỘT
BIẾN VÀ CHỈ THỊ PHÂN TỬ

Chuyên ngành

: Di truyền và Chọn giống cây trồng

Mã số

: 9.62.01.11

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS. TS. LÊ HUY HÀM

HÀ NỘI – 2020


i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này do tôi trực tiếp thực
hiện; các kết quả đƣợc trình bày trong luận án là trung thực; khách quan
và chƣa từng đƣợc công bố. Mọi sự hỗ trợ, giúp đỡ đều đã đƣợc gửi lời
cảm ơn đầy đủ; các thông tin trích dẫn đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những điều cam đoan ở trên.
Hà Nội, ngày 12 tháng 03 năm 2020

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Hồng

ii
LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi xin đƣợc cảm ơn cơ sở đào tạo Viện Khoa học
Nông nghiệp Việt Nam, với cơ vật chất hiện đại, đội ngũ cán bộ khoa
học, giáo sƣ, phó giáo sƣ, tiến sỹ giỏi về chuyên môn cũng nhƣ tâm
huyết với ngành nông nghiệp, đã tận tình đào tạo, hƣớng dẫn và giúp đỡ
các cán bộ trẻ nhƣ tôi trên con đƣờng nghiên cứu. Đặc biệt, tôi xin đƣợc
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS. Lê Huy Hàm, ngƣời thầy đã định
hƣớng cũng nhƣ hết lòng hƣớng dẫn, động viên, khuyến khích, giúp đỡ
tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh cho tới nay. Tôi xin gửi lời
cảm ơn tới TS. Võ Thị Minh Tuyển, Trƣởng Bộ môn Đột biến & Ƣu thế
lai, đã luôn tạo điều kiện cũng nhƣ đƣa ra nhiều góp ý quý báu về lĩnh
vực chọn giống lúa. Tôi xin cám ơn TS. Yoshikazu Tanaka, Trung tâm
nghiên cứu Năng lƣợng Wakasa-wan, Fukui, Nhật Bản đã tận tình giúp
đỡ, chỉ bảo các kiến thức chuyên môn thuộc lĩnh vực sinh học phân tử.
Lời cảm ơn từ đáy lòng xin đƣợc gửi tới bạn bè, đồng nghiệp và ngƣời
thân đã luôn ở bên động viên, sẻ chia mọi khó khăn cũng nhƣ hỗ trợ mọi
mặt để tôi hoàn thành bản luận án này.
Luận án đƣợc thực hiện dựa trên đề tài KC.05.09/11-15 "Nghiên
cứu kỹ thuật chiếu xạ tia gamma kết hợp với công nghệ sinh học tạo vật
liệu khởi đầu cho chọn tạo giống lúa" của Bộ Khoa học & Công nghệ, do
Viện Di truyền Nông nghiệp chủ trì; một phần đƣợc thực hiện tại Trung
tâm nghiên cứu Năng lƣợng Wakasa-wan, Fukui, Nhật Bản với sự tài trợ
của Chƣơng trình học bổng “Fukui International Human Resourses
Development Center For Atomic Energy (FIHRDC)/FY 2016.
Tác giả xin đƣợc trân trọng cảm ơn!


iii
MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN......................................................................................i
LỜI CẢM ƠN...........................................................................................ii
MỤC LỤC...............................................................................................iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU.......................................vi
DANH MỤC BẢNG..............................................................................vii
DANH MỤC HÌNH..................................................................................x
CHƢƠNG 1..............................................................................................4
TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI.........4
1.1. Đột biến trong nghiên cứu, chọn tạo giống cây trồng........................4
1.1.1. Phân loại các tác nhân gây đột biến...............................................4
1.1.2. Bức xạ ion beam trong chọn tạo giống cây trồng...........................5
1.1.3. Thành tựu của chọn giống đột biến trên thế giới............................8
1.1.4. Thành tựu của chọn giống đột biến trong nước............................12
1.2. Bệnh bạc lá lúa.................................................................................17
1.2.1. Nguyên nhân và triệu chứng bệnh................................................ 17
1.2.2. Quy luật phát sinh, phát triển bệnh...............................................18
1.2.3. Đặc điểm truyền lan và bảo tồn....................................................19
1.2.4. Các chủng sinh lý..........................................................................20
1.2.5. Một số thống kê thiệt hại do bệnh bạc lá gây ra trên lúa.............23
1.3. Chỉ thị phân tử trong chọn giống đột biến....................................... 24
1.3.1. Chỉ thị phân tử và phân loại......................................................... 24
1.3.2. Chỉ thị phân tử trong phân tích đa dạng di truyền.......................27
1.3.3. Chỉ thị phân tử trong chọn giống lúa kháng bạc lá...................... 28
1.4. Một số gen quy định năng suất hạt..................................................................... 32

1.4.1. Một số gen quy định nên tính trạng hạt...................................................... 32
1.4.2. Gen Ghd7................................................................................................................... 37


iv

1.5. Một số thông tin quan trọng và nhận xét rút ra từ tổng quan...........39
CHƢƠNG 2............................................................................................41
VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..........41
2.1. Vật liệu nghiên cứu..........................................................................41
2.1.1. Dòng, giống lúa.............................................................................41
2.1.2. Các chỉ thị phân tử........................................................................41
2.1.3. Vi khuẩn gây bệnh bạc lá..............................................................42
2.2. Nội dung nghiên cứu........................................................................42
2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu.................................................................43
2.3.1. Phương pháp chọn giống đột biến (FAO/IAEA, 2011)..................43
2.3.2. Phương pháp đánh giá các dòng triển vọng.................................44
2.3.3. Phương pháp chỉ thị phân tử........................................................ 47
2.3.4. Phương pháp đánh giá nhân tạo bệnh bạc lá (JICA, 2003).........48
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN................49
3.1. Đánh giá, chọn lọc nguồn vật liệu khởi đầu.....................................49
3.1.1. Tính kháng bạc lá của các dòng vật liệu...................................... 49
3.1.2. Đặc điểm nông sinh học chính của dòng lúa vật liệu chiếu xạ.....53
3.2. Tạo vật liệu khởi đầu ở lúa bằng chiếu xạ tia gamma......................54
3.2.1. Ảnh hưởng của liều lượng chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót.................54
3.2.2. Ảnh hưởng của liều chiếu xạ đến thế hệ M1.................................60
3.2.3. Ảnh hưởng của liều lượng chiếu xạ đến thế hệ M2...................... 64
3.2.4. Chọn dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống............................69
3.3. Chỉ thị phân tử trong nghiên cứu và chọn giống lúa đột biến..........75
3.3.1. Chọn dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc lá.................................. 75
3.3.2. Nghiên cứu sai khác di truyền giữa các dòng lúa đột biến...........81
3.4. Đánh giá một số dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc lá có triển vọng
89
3.4.1. Đánh giá dòng lúa đột biến triển vọng từ chiếu xạ tia gamma....90

v
3.4.2. Đánh giá dòng lúa đột biến triển vọng D14 từ chiếu xạ ion beam
96
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ...................................................................107
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 108


vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU
ADN :
FAO :

Axit Deoxyribonucleic
Food Agriculture Oganization

FNCA:

Forum of Nuclear Cooporative Asia

HTX :

Hợp tác xã

IAEA :

International Atomic Energy Agency

IRRI

:

International Rice Research Institute

JICA

:

Japan International Cooperation Agency

MAS :

Marker Assited Selection

NST

:

Nhiễm sắc thể

PCR

:

Polymerase Chain Reaction

QTL

:

Quantitative Trait Locus

EXON :

Vùng mã hóa

INTRON : Vùng không mã hóa
CTPT :

Chỉ thị phân tử

NSLT :

Năng suất lý thuyết

NSTT :

Năng suất thực thu


vii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tác động của một số tác nhân gây đột biến khác nhau lên hệ
gen của Arabidopsis Thaliana................................................................... 7
Bảng 1.2. Danh sách dòng NILs sử dụng cho nghiên cứu bệnh bạc lá .. 21

Bảng 2.1. CTPT liên kết gen kháng bạc lá sử dụng trong nghiên cứu....41
Bảng 2.2. Thông tin các chủng vi khuẩn gây bệnh bạc lá.......................42
Bảng 2.3. Phân cấp chiều dài hạt gạo..................................................... 45
Bảng 2.4. Phân cấp hình dạng hạt gạo....................................................45
Bảng 2.5. Thang điểm với từng chỉ tiêu hạt gạo.....................................46

Bảng 2.6. Xếp hạng chất lƣợng cảm quan của cơm...............................46
Bảng 3.1. Phản ứng của các dòng vật liệu với bệnh bạc lá (vụ Mùa 2012,
HTX Thƣợng Cát).................................................................................. 52
Bảng 3.2. Đặc điểm nông sinh học chính của dòng lúa vật liệu chiếu xạ
(vụ Mùa 2012, HTX Thƣợng Cát ).........................................................53
Bảng 3.3. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót ở thế hệ M1
khi chiếu xạ hạt khô................................................................................ 56
Bảng 3.4. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót ở thế hệ M1
khi chiếu xạ hạt ƣớt................................................................................58
Bảng 3.5. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến biến dị ở thế hệ M1 (vụ Mùa
2012, HTX Thƣợng Cát)........................................................................ 61
Bảng 3.6. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tần số đột biến một số tính
trạng hình thái ở thế hệ M2 (vụ Xuân 2013, HTX Thƣợng Cát)............66
Bảng 3.7. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tần số đột biến các yếu tố
cấu thành năng suất ở thế hệ M2 (vụ Xuân 2013, HTX Thƣợng Cát).. .68
Bảng 3.8. Chọn lọc đột biến có ý nghĩa qua các thế hệ..........................70
Bảng 3.9. Đặc điểm chính của 52 dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn
giống (vụ xuân 2015, HTX Thƣợng Cát)...............................................71


viii
Bảng 3.10. Chọn lọc dòng đột biến mang gen kháng bệnh bạc lá..........77
Bảng 3.11. Phản ứng của gen kháng với vi khuẩn gây bệnh..................78
Bảng 3.12. Khả năng kháng/nhiễm bệnh bạc lá của các dòng đột biến (vụ
Xuân 2014 HTX Thƣợng Cát)................................................................80
Bảng 3.13. Các dòng lúa đột biến sử dụng trong phân tích sai khác di
truyền bằng chỉ thị SSR.......................................................................... 81
Bảng 3.14. Khảo sát các cặp mồi SSR với các nhóm lúa.......................82
Bảng 3.15. Các chỉ tiêu về allele, chỉ số đa dạng PIC của các locus SSR
đa hình nhận biết trên 41 dòng lúa Nhóm I.............................................84

Bảng 3.16. Các chỉ tiêu về allele, chỉ số đa dạng PIC của các locus SSR
đa hình nhận biết trên 10 dòng lúa Nhóm II...........................................85
Bảng 3.17. Đặc điểm hình thái, nông sinh học của dòng đột biến triển
vọng từ BT62.1 (vụ Mùa 2017).............................................................. 91
Bảng 3.18. Đặc điểm hình thái, nông sinh học của dòng đột biến triển
vọng từ HC62.2 (vụ Mùa 2017)..............................................................92
Bảng 3.19. Năng suất thực thu các dòng đột biến triển vọng từ BT62.1
(vụ Mùa 2017).........................................................................................94
Bảng 3.20. Năng suất thực thu các dòng đột biến triển vọng từ HC62.2
(vụ Mùa 2017).........................................................................................95
Bảng 3.21. Chất lƣợng cơm các dòng lúa triển vọng từ chiếu xạ tia
gamma.....................................................................................................96
Bảng 3.22. Phản ứng của dòng lúa đột biến triển vọng D14 với ba chủng
vi khuẩn gây bệnh bạc lá.........................................................................98
Bảng 3.23. Đặc điểm hình thái, nông sinh học của dòng lúa đột biến triển
vọng D14 (vụ Mùa 2017)........................................................................99
Bảng 3.24. Năng suất thực thu dòng lúa đột biến triển vọng D14 (vụ
Mùa 2017).............................................................................................101
Bảng 3.25. Chất lƣợng gạo dòng lúa đột biến triển vọng D14.............102


ix
Bảng 3.26. Chất lƣợng cơm dòng lúa đột biến triển vọng D14............103
Bảng 3.27. Phân tích sai khác trên vùng mã hóa của gen Ghd7...........106


x
DANH MỤC HÌNH
Hình 3.1. Kiểm tra gen Xa4 (a), Xa7 (b) và Xa21(c) dòng lúa vật liệu .. 50

Hình 3.2. Phản ứng của dòng lúa vật liệu với chủng vi khuẩn gây bệnh
bạc lá (vụ Mùa 2013).............................................................................. 51
Hình 3.3. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến sinh trƣởng, phát triển và tỷ
lệ sống sót giai đoạn mạ..........................................................................55
Hình 3.4. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót khi chiếu xạ
hạt khô dòng BT62.1...............................................................................57
Hình 3.5. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót khi chiếu xạ
hạt khô dòng HC62.2..............................................................................57
Hình 3.6. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót khi chiếu xạ
hạt ƣớt dòng BT62.1...............................................................................59
Hình 3.7. Ảnh hƣởng của liều chiếu xạ đến tỷ lệ sống sót khi chiếu xạ
hạt ƣớt dòng HC62.2..............................................................................59
Hình 3.8. Một số đột biến ghi nhận ở các thế hệ.................................... 65
Hình 3.9. Chọn lọc các dòng đột biến mang gen kháng Xa7 và Xa21....77
Hình 3.10. Phản ứng của các dòng đẳng gen với vi khuẩn gây bệnh bạc
lá (chủng 3)............................................................................................. 79
Hình 3.11. Phản ứng của các dòng đột biến trên đồng ruộng.................80
Hình 3.12. Sản phẩm PCR của các dòng đột biến nhóm I (a) và nhóm II
(b) với chỉ thị SSR trên gel agarose 2,5%...............................................83
Hình 3.13. Mối quan hệ di truyền giữa các dòng lúa đột biến từ BT62.1
887
Hình 3.14. Mối quan hệ di truyền giữa các dòng lúa đột biến từ HC62.2
88
Hình 3.15. Kiểm tra gen kháng bạc lá dòng lúa đột biến triển vọng......97


xi
Hình 3.16. Phản ứng của dòng lúa đột biến triển vọng D14 với vi khuẩn
gây bệnh bạc lá........................................................................................97
Hình 3.17. Dòng lúa đột biến triển vọng D14 tại HTX Dục Tú - Đông

Anh - Hà Nội (vụ mùa 2017)................................................................ 101
Hình 3.18. Hạt thóc và hạt gạo của dòng đột biến triển vọng D14.......102
Hình 3.19. Giải trình tự gen Ghd7........................................................ 104
Hình 3.20. Sai khác trên vùng mã hóa 1 của gen Ghd7........................105
Hình 3.21. Sai khác trên vùng mã hóa 2 của gen Ghd7........................105


1
MỞ ĐẦU
Theo dự báo, dân số thế giới sẽ tăng từ 7,6 tỷ (3/2018) lên khoảng
9 tỷ vào năm 2050, mà đa số xảy ra ở những nƣớc đang phát triển
( population). Việc đảm bảo cung cấp
lƣơng thực, thực phẩm cho khoảng 9 tỷ ngƣời là một thách thức lớn
trong bối cảnh nguồn tài nguyên thiên nhiên đang bị khai thác quá mức
và sử dụng lãng phí, chƣa kể tác động ngày càng lớn của thiên tai. Biến
đổi khí hậu có thể làm sản lƣợng nông sản, gây tổn thất đến 50% hoặc
thậm chí mất trắng. Nếu không có các biện pháp đối phó, cũng nhƣ
những hành động khẩn cấp, tích cực thì nền an ninh lƣơng thực sẽ bị đe
dọa. Vì thế, nhiệm vụ cấp thiết đặt ra cho các nhà khoa học trong lĩnh
vực nông nghiệp hiện nay đó là tạo ra các giống cây trồng mới thích ứng
với biến đổi khí hậu và đảm bảo an ninh lƣơng thực.
Ở miền Bắc nƣớc ta, bệnh bạc lá là một trong những đối tƣợng
gây hại thƣờng xuyên và nghiêm trọng trên cây lúa. Một số giống đang
đƣợc trồng phổ biến trong sản xuất bị nhiễm nặng bệnh bạc lá. Thƣờng
thì các giống kháng bạc lá tốt thì năng suất và phẩm chất không đạt yêu
cầu và ngƣợc lại, các giống có năng suất phẩm chất tốt lại không kháng
bệnh. Trong những năm gần đây, có rất nhiều đề tài nghiên cứu chọn tạo
giống lúa kháng bạc lá dựa trên các phép lai hữu tính và chỉ thị phân tử.
Có nhiều sản phẩm của các đề tài là các dòng/giống lúa mang gen kháng
bạc lá, thích ứng tốt với ngoại cảnh tuy nhiên năng suất và chất lƣợng

chƣa thực sự đáp ứng nhu cầu của sản xuất cũng nhƣ thị hiếu tiêu dùng.
Trong khi đó, đột biến đƣợc đánh giá là phƣơng pháp chọn tạo
giống cây trồng dễ áp dụng, nhanh chóng và hiệu quả. Không giống nhƣ
phƣơng pháp lai hữu tính, đột biến có ƣu điểm đó là giúp cải tiến một số
đặc điểm của giống mà không làm mất đi các tính trạng tốt vốn có


2
(Pathirana, 2011). Nếu sử dụng phƣơng pháp đột biến để cải tiến tính
trạng năng suất, chất lƣợng của các dòng lúa mang gen kháng bạc lá,
đồng thời dùng chỉ thị phân tử để hỗ trợ chọn lọc gen kháng sẽ tăng khả
năng thành công. Chính vì vậy, luận án “Nghiên cứu nâng cao năng
suất, chất lƣợng một số dòng lúa kháng bệnh bạc lá bằng phƣơng
pháp đột biến và chỉ thị phân tử” đƣợc thực hiện với mong muốn
chọn tạo đƣợc giống lúa kháng bạc lá, năng suất và chất lƣợng tốt phục
vụ cho sản xuất.
1. Mục tiêu nghiên cứu
Cải tiến năng suất (đạt 6 – 7 tấn /ha) và một hoặc nhiều chỉ tiêu
chất lƣợng (mùi thơm, độ trắng, độ mềm dẻo, vị ngon) các dòng lúa
kháng bạc lá bằng phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Các dòng/giống lúa kháng bệnh bạc lá, nhƣng còn hạn chế về năng

suất và chất lƣợng.
3. Phạm vi nghiên cứu
Các nghiên cứu thuộc lĩnh vực Khoa học Nông nghiệp, chuyên
ngành Di truyền và Chọn giống cây trồng.
4. Địa điểm thực hiện đề tài luận án
- Viện Di truyền Nông nghiệp, Bắc Từ Liêm, Hà Nội, Việt Nam
- Trung tâm nghiên cứu Hạt nhân Wakasa-wan, Fuikui, Nhật Bản

- Các thí nghiệm đồng ruộng đƣợc thực hiện tại Hà Nội và Thái Bình
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
a. Ý nghĩa khoa học của luận án
Từ các kết quả thu đƣợc, nổi bật nhất là các dòng lúa triển vọng
kháng bạc lá, có năng suất và chất lƣợng đƣợc cải thiện đã khẳng định
tính hiệu quả của việc kết hợp phƣơng pháp đột biến và chỉ thị phân tử


3
trong cải tiến giống cây trồng, từ đó tạo cơ sở để các nhà chọn giống đột
biến khác có thể nghiên cứu và áp dụng.
b. Ý nghĩa thực tiễn của luận án
Đề tài đã chọn tạo đƣợc 5 dòng lúa đột biến triển vọng kháng bạc
lá, năng suất cao (6- 7 tấn/ha), một số chỉ tiêu chất lƣợng đƣợc cải thiện.
Ngoài ra, kết quả gồm 52 dòng đột biến có ý nghĩa cho chọn giống sẽ là
nguồn vật liệu giá trị, có thể đƣợc khai thác, sử dụng cho các mục đích
chọn tạo giống khác nhau.
6. Đóng góp mới của luận án
Đóng góp lớn nhất của luận án cho thực tiễn sản xuất và nghiên
cứu đó là 5 dòng lúa đột biến kháng bệnh bạc lá có triển vọng (năng suất
6 – 7 tấn/ha, chất lƣợng đƣợc cải tiến) và tập đoàn 52 dòng đột biến vật
liệu. Ngoài ra, luận án cũng đã phân tích đƣợc sai khác giữa các dòng đột
biến ở mức độ phân tử thông qua nghiên cứu đánh giá bằng chỉ thị SSR

và giải trình tự gen.


4
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI

1.1. Đột biến trong nghiên cứu, chọn tạo giống cây trồng
1.1.1. Phân loại các tác nhân gây đột biến
Nhìn chung, các tác nhân gây đột biến có thể chia thành ba loại
sau: các tác nhân hóa học (bao gồm hợp chất vô cơ, hữu cơ, các hóa chất
gây ung thƣ, khói thuốc, các loại thuốc chữa bệnh...); các tác nhân vật lý
(các bức xạ ion hóa – tia gamma, tia Rơnghen…; bức xạ điện từ; điện
trƣờng; sóng siêu âm; nhiệt độ; khói bụi….); các tác nhân sinh học (các
hormone tăng trƣởng, các tác nhân xâm nhiễm nhƣ nấm, vi khuẩn,
virut….). Dựa vào khả năng ion hóa vật chất bị nhiễm xạ, có thể chia tác
nhân gây đột biến thành 2 nhóm:
1) Nhóm bức xạ ion hóa: là bức xạ gây phản ứng hóa phóng xạ, tạo ra
các cặp ion hóa trong môi trƣờng mà chúng thâm nhập hoặc gây ra sự
kích động phân tử nhƣ: bức xạ điện tử electron, proton, tia α hay bức xạ
không mang điện nơtron, tia Gamma (γ), tia Rơnghen (tia X)....
2) Nhóm bức xạ không gây ion hóa: Đại diện cho nhóm này là tia tử
ngoại, có độ dài bƣớc sóng từ 10 -7 – 10-5 A0. Do có năng lƣợng thấp,
sức xuyên thấu yếu nên khi xuyên qua các mô của cơ thể sinh vật, nó
không gây ion hóa mà chỉ kích động phân tử và thƣờng đƣợc dùng để
xử lý hạt phấn và bào tử.
Thậm chí, trong những năm gần đây, Trung Quốc còn đƣa ra khái
niệm “đột biến vũ trụ”. Theo đó, các nhà khoa học Trung Quốc đã đƣa
hạt giống lên tàu vệ tinh Shijian 8, và giải thích rằng dựa vào tác động
của các bức xạ vũ trụ, môi trƣờng không trọng lực, chân không và siêu
sạch, sẽ tạo nên các thay đổi của vật liệu nghiên cứu (Liu và cs., 2004).
Các tác nhân hoá học đa dạng hơn nhiều về chủng loại so với tác
nhân lý học, nhƣng nhƣợc điểm của chúng là phức tạp trong xử lý và


5
không an toàn cho ngƣời sử dụng. Vì vậy, hiện nay, các tác nhân vật lý

ngày càng đƣợc ƣu tiên nghiên cứu và sử dụng hơn (FAO/IAEA, 2011).
1.1.2. Bức xạ ion beam trong chọn tạo giống cây trồng
Ngoài một số tác nhân phổ biến nhƣ tia X, tia gamma, hạt α, hạt
nơtron... thì ngày nay, các nhà khoa học trong lĩnh vực này đã bắt đầu
tìm hiểu, nghiên cứu và ứng dụng bức xạ ion của các nguyên tố Li, C, H,
Ar, He, Ne... trong lĩnh vực chọn tạo giống (Shikazono và cs., 2003;
Tanaka và cs., 2010; Yu và cs., 2013).
Đi đầu trong việc áp dụng phƣơng pháp này phải kể đến Nhật Bản
và Trung Quốc, theo đó đã có thống kê thấy rằng các nhà khoa học Nhật
Bản đã bắt đầu các thử nghiệm ion beam trên đối tƣợng cây trồng từ
năm 1993. Các nhà khoa học Nhật Bản, Trung Quốc đã có nhiều nghiên
cứu về liều lƣợng chiếu cũng nhƣ ảnh hƣởng của các liều chiếu đến việc
tạo ra các đột biến. Các nghiên cứu đa phần sử dụng ion beam của
nguyên tử C, He hoặc Ne và kết quả cho thấy ở liều từ 10-60Gy thì tạo ra
đƣợc các đột biến mong muốn (Tanaka và cs., 2010).
Nhiều nghiên cứu sâu về sự thay đổi ở mức độ phân tử đều nhận
định rằng ion beam là dạng bức xạ có hệ số truyền năng lƣợng cao, có
khả năng tạo ra sự xáo trộn lớn trong hệ gen, tạo nên những thiệt hại lớn
trên ADN mà cơ thể không thể tự sửa chữa (Isikawa và cs., 2012; Yu và
cs., 2013).
Việc so sánh hiệu quả gây đột biến giữa tia gamma và bức xạ ion
beam đã đƣợc rất nhiều tác giả nghiên cứu và cho rằng chiếu xạ bằng
bức xạ ion beam tạo ra phổ đột biến rộng hơn so với chiếu xạ bằng tia
gamma (Shikazono và cs., 2003), nhƣng về tần số đột biến thì chƣa thấy
tác giả đề cập đến.
Ứng dụng bức xạ ion trong chọn tạo giống cây trồng: bức xạ ion
đƣợc cho rằng tạo ra nhiều đột biến đồng thời không ảnh hƣởng nhiều


6

đến sức sinh trƣởng của cây trồng khi chiếu ở liều thấp, chính vì thế bức xạ
ion beam là một công cụ tuyệt vời, cho hiệu quả cao trong chọn giống đột
biến (Abe và cs., 2007).) và đã đƣợc ứng dụng thành công trong chọn
giống lúa có hàm lƣợng Cadmium (Cd) thấp (Ishikawa và cs., 2012).

Một số tác giả nghiên cứu hiệu quả của các bức xạ ionbeam (ion
carbon có hệ số truyền năng lƣợng tuyến tính trung bình là 76 và 107
keV / mm) trên cây lúa bằng cách so sánh tỷ lệ chết, tỷ lệ lép, tỷ lệ đột
biến và phổ đột biến đã kết luận rằng tỷ lệ đột biến của các bức xạ ion
cao hơn của các tia gamma; tuy nhiên, không có sự khác biệt đáng kể
giữa các tác nhân về tần suất và phổ đột biến (Yamaguchi và cs., 2009).
Nghiên cứu tác động của bức xạ ionbeam lên cây trồng ở mức độ
phân tử cho thấy các đột biến gây ra bởi bức xạ ionbeam có khá nhiều
đột biến là các đột biến lớn trên cấu trúc ADN và chỉ có một số là đột
biến điểm; các thiệt hại lớn trên ADN là không thể khắc phục, và các đột
biến đó thƣờng không có ý nghĩa đối với chọn giống nhƣng lại có tiềm
năng tạo ra các giống, loài mới (Tanaka và cs., 2010).
Khi chiếu bức xạ ionbeam lên các vật liệu sống là hạt và mô của
cây chỉ thị đã thu đƣợc hàng ngàn các đột biến khác nhau; điều đó cũng
khẳng định, bức xạ ion cho phổ đột biến rất rộng nên việc ứng dụng bức
xạ ion rất có ý nghĩa trong việc nghiên cứu chức năng gen mà còn trong
lĩnh vực chọn giống cây trồng (Magori và cs., 2010).
Xử lý đột biến hạt lúa khô bằng ionbeam (220 MeV carbon ions
(LET 107 keV/µm) ở liều 10, 20, 30, 40, 50 và 60 Gy; 320 MeV carbon
ions (LET 76 keV/µm) ở liều 20, 40, 60, 80, 100 và 150 Gy; 100 MeV
helium ions (LET 9 keV/µm) ở liều 50, 100, 150, 200, 250 và 300 Gy)
và tia gamma ở liều 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400 và 450 Gy (chiếu
10 Gy/giờ), sau đó tiến hành so sánh cho thấy, ở cả 3 dạng chiếu bằng

7
ionbeam đều cho phổ đột biến và tần số đột biến cao hơn so với chiếu xạ
bằng tia gamma (Yamaguchi và cs., 2011).
Khi nghiên cứu tác động của bức xạ ion trên cây chỉ thị
Arabidopsis thaliana, kết quả chỉ ra rằng bức xạ ion đã gây ra nhiều biến
đổi trên cấu trúc ADN của nhiễm sắc thể và nó rất có tiềm năng trong
việc tạo ra nhiều sự tái tổ hợp khác nhau, là cơ sở để tạo nên một giống
cây trồng mới (Hirano và cs., 2015).
Dựa trên nghiên cứu của một số tác giả về tác động của một số tác
nhân gây đột biến trên cây mô hình Arabidopsis Thaliana, các kết quả
đƣợc tổng hợp và so sánh chi tiết trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Tác động của một số tác nhân gây đột biến khác nhau lên
hệ gen của Arabidopsis Thaliana
Nguồn

Đột biến
tự phát a)

Electron

Neutron
nhanhc)

85%

33%

59%

Carbon b)

ion
(113
keV/mm)
7%

11%

33%

20%

18%

2%

8%

19%

25%

Indel > 100bp

2%

0%

1%

18%

Sắp xếp lại

0%

25%

0%

32%

Đột biến
Thay thế bazơ nitơ
Indel ≦ 2bp

3bp

≦Indel

b)

≦100bp

a): Ossomski và cs., 2010, b): Shikazono và cs., 2005, c): Belfield và cs.,
2012 (dẫn theo Tanaka, FNCA 2015)
Từ bảng 1.2 có thể thấy, tác nhân bức xạ electron cho tỷ lệ các
kiểu đột biến gần tƣơng tự nhất với đột biến tự phát so với các tác nhân
khác (tỷ lệ đột biến nhỏ thay thế bazơ là chủ yếu, và ít có các đột biến
lớn). Tuy nhiên, tác nhân bức xạ ion nguồn Carbon lại tạo ra đa dạng các

8
kiểu đột biến nhất. Với hệ số truyền năng lƣợng cao, bức xạ ion tạo ra
phổ biến nhất là các đột biến lớn trên ADN (sắp xếp lại); sau đó là các
kiểu đột biến Indel từ 3bp-100bp; tiếp đó là các Indel nhỏ hơn 2bp hoặc
lớn hơn 100bp; và ít phổ biến hơn cả là sự thay thế các nucleotit.
Ở Việt Nam, việc sử dụng bức xạ ion để tạo đột biến mới đƣợc áp
dụng vài năm trở lại đây trên đối tƣợng lúa, đậu tƣơng và cũng đã có
một vài công bố đầu tiên về việc nghiên cứu ứng dụng bức xạ ionbeam
trong cải tiến một số giống cây trồng của viện Di truyền Nông nghiệp và
đã thu đƣợc những thành công bƣớc đầu (Đào Thanh Bằng và cs., 2011;
Nguyễn Thị Hồng và cs., 2015).
1.1.3. Thành tựu của chọn giống đột biến trên thế giới
Phƣơng pháp đột biến thực nghiệm đƣợc coi là phƣơng pháp hiệu
quả để tạo nên sự đa dạng hóa nền di truyền nguồn vật liệu khởi đầu và
có tính ứng dụng cao trong cải tiến giống cây trồng. Theo thống kê mới
nhất từ cơ quan Năng lƣợng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), tính đến năm
2017 đã có 3246 giống cây trồng mới, thuộc hơn 200 loài đƣợc tạo ra
bằng phƣơng pháp đột biến (). Trong đó châu Á
chiếm 1963 giống, châu Âu 955 giống, châu Mỹ 250 giống, châu Phi 68
giống và cuối cùng là châu Đại dƣơng 10 giống. Phần lớn các giống đột
biến đƣợc đƣa vào sản xuất là những dạng có thay đổi về kiểu hình, thời
gian sinh trƣởng ngắn, năng suất, phẩm chất cao, chống chịu sâu bệnh
và điều kiện bất lợi của môi trƣờng. Ngoài ra, nhờ phƣơng pháp này
ngƣời ta đã tạo ra các dòng cận phối có khả năng kết hợp tốt để cho ra
các con lai có ƣu thế lai.
Chọn tạo giống lúa bằng phƣơng pháp đột biến đã có lịch sử nghiên
cứu và ứng dụng trên 50 năm. Gần đây, bộ genom của hai loài phụ
japonica và indica đã đƣợc giải mã thành công. Các kết quả phân tích ƣớc
tính có khoảng trên 30.000 gen. Vì vậy, mục tiêu hiện nay là tập

9
trung xác định các gen đó và làm rõ chức năng của chúng. Và với sự đa
dạng trong các quần thể đƣợc tạo ra từ gây đột biến nhân tạo không
những giúp chọn lọc ra các giống đột biến có giá trị cho nông nghiệp mà
còn có giá trị trong phát hiện và nghiên cứu chức năng gen.
Đột biến gây nên sự biến đổi ngẫu nhiên ở mức độ ADN và cả ở
mức độ tế bào. Không giống nhƣ phƣơng pháp lai hữu tính, đột biến có
ƣu điểm là giúp cải tiến một số đặc điểm không tốt của giống ƣu việt
nào đó mà không làm mất đi các tính trạng tốt vốn có (Pathirana và cs.,
2011).
Ở Sierra Leone, các nghiên cứu cũng đƣợc tiến hành nhằm tìm ra
sự ảnh hƣởng của tia gamma lên các giống lúabằng cách chiếu xạ hạt
khô của các giống này với phổ liều rộng, từ 50 đến 800Gy. Ở thế hệ M1,
các quan sát tập trung vào tỷ lệ nảy mầm, tỷ lệ sống sót, chiều cao mầm,
số dảnh. Kết quả cho thấy, sức nảy mầm của các giống không khác nhau
giữa các liều trong vòng 7 ngày quan sát đầu tiên. Tỷ lệ sống sót của các
mầm bắt đầu có sự khác nhau từ ngày thứ 8 đến ngày thứ 14. Các liều từ
50-300Gy không thấy sự sai khác với đối chứng ở chỉ tiêu số dảnh. Và
liều gây chết 50% số cá thế nghiên cứu (LD50), tùy thuộc vào giống mà
dao động từ 345-423Gy (Harding và cs., 2012).
Các nhà khoa học Malaysia chiếu xạ tia gamma (nguồn Co 60)
nhằm cải tạo 2 giống lúa địa phƣơng là Ase Lapang (gạo dẻo) và
Mandoti (gạo đỏ). Kết quả bƣớc đầu ở thế hệ M1 cho thấy, liều 200Gy
đã rút ngắn thời gian sinh trƣởng nhƣng lại làm tăng tỷ lệ lép hạt (Haris
và cs., 2013).
Khi nghiên cứu ảnh hƣởng của chiếu xạ tia gamma lên giống lúa
địa phƣơng Sakha 105 ở các liều 150Gy, 200Gy và 250Gy; qua theo dõi
ở thế hệ M1 và M2, một số kết quả cho thấy: liều 150Gy cho giá trị trung

bình của chỉ tiêu thời gian trỗ, chiều cao cây và số bông/khóm cao nhất;


10
liều 200Gy thì tỷ lệ lép và số gié/bông cao hơn, còn ở liều 250Gy thì
năng suất hạt, số hạt chắc/bông, thời gian trỗ, chiều cao cây... đều thấp
nhất và khác biệt nhiều nhất so với đối chứng cũng nhƣ cho nhiều biến
dị hơn cả (Ibrahim và cs., 2013).
Có thế thấy rằng, đã có nhiều nghiên cứu tìm hiểu về liều lƣợng
chiếu xạ ở phổ rất rộng đã đƣợc tiến hành và công bố. Tựu chung lại,
liều thƣờng đƣợc quan tâm, có giá trị với chọn giống thƣờng dao động
từ 200-400Gy. Ngoài ra, chiếu xạ tia gamma không chỉ có vai trò hiệu
quả đối với chọn giống, mà kết hợp với các thành tựu về giải trình tự gen
hiện nay, gây đột biến còn giúp các nhà khoa học phát hiện gen và
nghiên cứu chức năng của chúng.
Quốc gia đứng đầu về phát triển các giống mới thông qua đột
biến nhân tạo cũng nhƣ số lƣợng giống đột biến đƣợc tạo ra là Trung
Quốc (Hakeem và cs., 2013). Ở Trung Quốc, các giống đột biến thƣơng
mại chính phải kể đến: lúa, lúa mì, ngô, lúa mạch, kê, dâu, hạt cải dầu,
đậu tƣơng, hạt tiêu, bông, cà chua và lạc. Tính đến năm 1991, Trung
Quốc có tất cả 810 giống, thuộc 46 loài khác nhau đã đƣợc sản xuất
thƣơng mại cũng nhƣ đƣợc sử dụng làm vật liệu cho lai tạo và kết hợp
công nghệ sinh học cho các mục tiêu chọn giống khác nhau (Wang và
cs., 1991).
Chọn giống đột biến bằng chiếu chiếu xạ tia gamma đƣợc cho là
một cách tiếp cận hiệu quả và thành công tại Nhật Bản (Nakagawa,
2009). Theo số liệu thống kê từ năm 1961 đến năm 2008, số lƣợng giống
cây trồng đột biến tại Nhật Bản đã đƣợc tạo ra là 481 giống
( 2015). Có khoảng 242 giống mới đƣợc tạo ra bằng
phƣơng pháp đột biến thông qua chiếu xạ, đột biến hóa học và đột biến

somma đƣợc sử dụng trực tiếp cho sản xuất. Khoảng 61% trong số này
đƣợc gây ra bởi chiếu xạ tia gamma (Shu, 2009). Ngoài ra, có khoảng


11
228 giống đột biến đƣợc sử dụng gián tiếp cho các chƣơng trình chọn tạo
giống lúa và đậu tƣơng. Năm 2005, tổng diện tích canh tác của các giống
cây trồng đột biến là 210.692 ha; chiếm 12,4% tổng diện tích canh tác lúa ở
Nhật Bản và tổng giá trị từ các giống cây trồng đột biến đƣợc ƣớc tính là
khoảng 250 tỷ Yên (2,34 tỷ đô la Mỹ) trong năm (Shu, 2009).

Ở Ấn Độ, lĩnh vực chọn tạo giống đột biến bắt nguồn từ những
năm 1930 và một vài giống đột biến tự nhiên đã đƣợc sử dụng làm dạng
giống mới trong những năm 1940. Các trung tâm và viện nghiên cứu chủ
lực ở Ấn Độ tham gia vào lĩnh vực này phải kể đến Viện nghiên cứu
nông nghiệp Ấn Độ (IARI), Trung tâm nghiên cứu nguyên tử Bhabha,
Đại học Nông nghiệp Tamil Nadu và Viện nghiên cứu thực vật quốc gia
(Parvaiz và cs., 2014). Việc áp dụng gây đột biến nhân tạo để cải tiến
giống cây trồng đƣợc bắt đầu từ cuối những năm 1950 và đến năm 2009,
Ấn Độ đã phát triển khoảng 329 giống cây trồng đột biến khác nhau
thông qua đột biến trực tiếp trên các đối tƣợng cây nhƣ: lúa, lúa mì, lúa
mạch, lúa miến, đay, lạc, đậu tƣơng, đậu xanh, đậu xanh, đậu đũa, đậu
đen, mía, hoa cúc, thuốc lá và hoa cây cảnh (Bughio và cs., 2007). Hai
giống lúa thơm, chín sớm, có nguồn gốc đột biến là „PNR 381” và„ PNR
102” đƣợc trồng phổ biến ở các bang Haryana và Utter Pradesh, giúp
mang lại giá trị khoảng 1748 triệu đô la Mỹ mỗi năm (Ahloowalia và cs.,
2004).
Còn tại Thái Lan, chọn giống đột biến trên cây lúa đƣợc bắt đầu
vào năm 1965 và có đƣợc sự hợp tác chặt chẽ với Cơ quan Nguyên tử
Quốc tế (Ahloowalia và cs., 2004) . Hai loại giống lúa thơm Indica,

'RD6' và 'RD15', đƣợc tạo ra bằng cách chiếu xạ tia gamma giống lúa
phổ biến 'Khao Dawk Mali 105' ('KDML 105'), lần lƣợt đƣợc đƣa ra sản
xuất vào năm 1977 và 1978. Đến nay, những giống này vẫn đƣợc trồng
rộng rãi ở Thái Lan. Giống RD6 ngoài hàm lƣợng amylose thấp thì các


12
đặc tính khác của hạt nhƣ mùi thơm vẫn giữ nguyên so với giống gốc.
Trong khi đó, RD15 tuy không dẻo và thơm nhƣng chín sớm hơn 10
ngày so với giống gốc. Theo thống kê, trong năm 1995- 1996, diện tích
trồng RD6 là trên 2.429.361 ha, chiếm 26,4% diện tích trồng lúa ở Thái
Lan và sản lƣợng đạt 4.343.549 tấn lúa (Shu, 2009).
Tại Bangladesh, hơn 44 giống đột biến thuộc 12 loài cây trồng
khác nhau đã đƣợc tạo ra bằng phƣơng pháp đột biến (Hakeem và cs.
2013). Viện Nông nghiệp hạt nhân Bangladesh ở Mymensingh,
Bangladesh, là trung tâm chính về lĩnh vực này và đã tạo ra 8 giống lúa
đột biến. Các giống lúa đột biến Binasail, Iratom-24 và Binadhan-6, đã
đƣợc trồng với tổng diện tích 795.000 ha, đóng góp đáng kể vào an ninh
lƣơng thực ở Bangladesh (Shu, 2009).
1.1.4. Thành tựu của chọn giống đột biến trong nước
Đột biến có nhiều ƣu điểm nhƣ kỹ thuật đơn giản, không yêu cầu
trình độ cao và đầu tƣ lớn và sớm cho ra kết quả, vì vậy đây thực sự là
một công cụ hiệu quả trong cải tiến giống cây trồng ở Việt Nam, góp
phần đáng kể trong đảm bảo an ninh lƣơng thực quốc gia.
Lĩnh vực gây đột biến thực nghiệm đã đƣợc nhà khoa học Lƣơng
Đình Của khởi xƣớng từ những năm 1960. Nhƣng mãi đến năm 1980,
hƣớng nghiên cứu này mới đƣợc phát triển một cách tƣơng đối có hệ
thống và định hƣớng do tiến sĩ Phan Phải và cộng sự tiến hành. Sau đó,
một loạt nghiên cứu của các tác giả nhƣ: Trần Duy Quý, Nguyễn Hữu
Đống, Trần Đình Long, Mai Quang Vinh, Đỗ Hữu Ất, Lâm Quang Dụ,

Nguyễn Văn Bích, Nguyễn Quang Xu, Lê Văn Nhạ,.. trên nhiều đối
tƣợng cây trồng khác nhau nhƣ: lúa, ngô, đậu, lạc, táo, cà chua, hoa
cúc,.. đã tạo ra nhiều dòng đột biến có giá trị, đƣợc chọn lọc và phát
triển trực tiếp thành các giống quốc gia hoặc các dòng có triển vọng
phục vụ cho công tác lai tạo giống mới.