Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để cải tiến một số giống cây nông nghiệp

Đến năm 1926-1927, di truyền học phóng xạ trở thành nền tảng cho sự ra đời ngành chọn giống đột biến phóng xạ. Những năm 1970, Cơ quan IAEA và Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) đã tài trợ mở rộng hướng nghiên cứu gây đột biến cải tạo cây nông nghiệp và cây công nghiệp nhiều nước trên thế giới nhằm tạo ra hàng loạt giống mới như: lúa, lúa mỳ, lúa mạch, táo, chanh, mía, chuối… Cho tới năm 2003 (FAO/IAEA Mutant Varieties Database), 2317 giống cây trồng đã được tạo ra bằng gây đội biết thực nghiệm trên phạm vi 60 nước, trong số đó có 1585 giống cây trồng được trực tiếp sử dụng sau khi gây đột biến và 667 giống được sử dụng một cách gián tiếp như là vật liệu trong các phép lai. Việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để cải tiến cây trồng đã mang lại hiệu quả cực kỳ to lớn về mặt kinh tế. Ước tính các nước đã thu được hàng tỷ đô la từ hàng triệu hecta gieo trồng những giống cây được tạo ra từ đột biến. Những thành tựu to lớn mà phương pháp gây đột biến thực nghiệm đem lại có thể kể là: cỏ Bermuda, lê Nhật Bản, giống lứa nửa lùn Remei Nhật Bản, khoai lang, khoai tây, hoa cúc, hoa hồng với màu sắc khác nhau và hình dạng cánh hoa đa dạng. Đặc biệt ở Trung Quốc, giống lúa đột biến Zhefu 802 được trồng với diện tích lớn nhất thế giới (trên 10,5 triệu hecta) và được sử dụng rộng rãi trong sản xuất qua thời gian khá dài trên 10 năm. Ở Việt Nam , lĩnh vực này đã được cố giáo sư Lương Đình Của khởi xướng từ những năm 1960. Nhưng mãi đến năm 1980, hướng nghiên cứu này mới được phát triển một cách tương đối có hệ thống và định hướng do cố tiến sỹ Phan Khải và cộng sự tiến hành. Sau đó, một loạt nghiên cứu của các tác giả như: Trần Duy Quý, Nguyễn Hữu Đống, Trần Đình Long, Nguyễn Minh Công, Mai Quang Vinh, Trần Tú Ngà, Trần Minh Nam, Bùi Huy Thuỷ, Lâm Quang Dụ, Nguyễn Văn Bích, Nguyễn Quang Xu, Lê Văn Nhạ, Nguyễn Văn Ro, Đỗ Hữu Ất, Đào Xuân Tân, Đào Thanh Bằng, … trên nhiều đối tượng cây trồng khác nhau như: lúa, ngô, đậu, lạc, táo, cà chua, hoa cúc,.. đã tạo ra nhiều dòng đột biến có giá trị, được 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.

Viện Di truyền nông nghiệp là một đơn vị nghiên cứu chuyên sâu trong lĩnh vực di truyền, chọn giống và công nghệ sinh học thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Có thể nói Viện là cơ quan đầu mối quan trọng nhất ở nước ta trong việc ứng dụng kỹ thuật hạt nhân để cải tiến giống cây trồng nông nghiệp. Tính đến năm 2002, Viện đã tạo ra nhiều dòng, giống cây trồng mới thông qua gây đột biến thực nghiệm với nhiều ưu điểm: năng suất cao, chất lượng tốt, thời gian sinh trưởng ngắn, cứng cây, chống đổ, chống chịu sâu bệnh và các điều kiện bất lợi của môi trường. Đối với một số giống lúa chất lượng mà trước kia chỉ trồng một vụ thì nay đã trồng được hai vụ trong năm làm tăng tổng sản phẩm trên một đơn vị diện tích. Một ví dụ điển hành đó là giống lúa đột biến DT10 của Viện Di truyền nông nghiệp nhận được từ việc chiếu xạ hạt khô của giống C4-62 ở liều 20Krad. Giống này đã được công nhận đủ tiêu chuẩn giống quốc gia năm 1990. Khác với giống bố mẹ, giống DT10 có khả năng chịu lạnh, chịu úng, chống chịu bệnh tốt hơn bố mẹ và cho năng suất khá cao và ổn định (năng suất đạt 5,5-7,0 tấn/ha). Giống lúa này được trồng ở nhiều vùng ở miền Bắc Việt Nam với diện tích khoảng 1 triệu hecta, chiếm 33% diện tích trồng lúa thập kỷ 90. Giống đậu tương đột biến DT84 đã được tạo ra do nhóm tác giả PGS.TS. Mai Quang Vinh và cộng sự bao phủ 70% diện tích trồng đậu tương của phía bắc Việt Nam trong một số năm. Một số nghiên cứu đột biến in vitro ở hoa (hoa cúc và hoa phong lan) đang được triển khai để đa dạng hoá màu sắc và hình dạng cũng như chống chịu sâu, bệnh đáp ứng thị trường trong nước.

Sự tài trợ của Cơ quan IAEA thông quan dự án VIE/5/013-14 từ năm 1997 tới nay đã góp phần quan trọng trong việc tăng cường một cách đáng kể tiềm lực và ý tưởng khoa học, trang thiết bị, cũng như đa dạng hoá vật liệu cho lĩnh vực chọn giống đột biến. Nhiều dòng, giống đột biến hữu ích đã được tạo ra trong thời gian thực hiện dự án.

Biểu đồ: Số lượng giống cây trồng đột biến được tạo ra qua các năm (IAEA/FAO Mutant Varieties Database, 2003)

Đột biến là những thay đổi trong cấu trúc của AND. Biểu hiện của đột biến về mặt tế bào học thường là đảo đoạn, chuyển đoạn, đứt đoạn nhiễm sắc thể dẫn đến thay đổi một số tính trạng so với giống gốc. Ưu điểm của đột biến là chỉ thay đổi một hoặc một vài tính trạng của cây trồng mà không làm thay đổi toàn bộ hệ genome. Tần số đột biến tự phát thường được sinh ra trong tự nhiên là rất thấp trong một thế hệ không quá 10 ^-5- 10 ^-8trong mỗi gen hoặc trong mỗi locus. Một tế bào thực vật có thể chứa tới 100.000 gen hoặc hơn, do đó ta có thể hình dung ra tần số đột biến tự phát thấp như thế nào, và hơn nữa chúng thường gây chết. Gây đột biến nhân tạo bằng những tác nhân vật lý và hoá học đã tỏ ra có nhiều ưu điểm trong việc làm tăng tần số đột biến lên từ 100 thậm chí 1000 lần và phổ đột biến rộng tạo ra những giống vật nuôi, cây trồng có đặc tính nông học quý. Những tính trạng được cải tạo thông qua đột biến thường là năng suất, giảm chiều cao, chống chịu sâu, bệnh (đối với lúa: DT10, DT11…) phá vỡ tính cảm quang (Tám Thơm đột biến, DT21); chất lượng (ở lúa CM6); chịu stress của môi trường (ở lúa CM1, ở đậu tương DT96 chịu nóng, chịu hạn), có đột biến thay đổi màu sắc của hạt gạo làm tăng tính thương phẩm trên thị trường như trường hợp giống lúa chiêm bầu địa phương hạt gạo đỏ, năng suất thấp, ở giống đột biến CM1 và CM6 hạt gạo chuyển sang màu trắng làm tăng giá trị thương phẩm, hoặc ở đậu tương giống đột biến DT90 hạt chuyển từ màu xanh sang màu trắng.

Trong thời gian tới, Viện Di truyền nông nghiệp tiếp dục định hướng tìm kiếm, gây tạo và xây dựng chiến lược sử dụng các đột biến; tăng cường phát hiện, chọn lọc và sử dụng những đột biến tự nhiên; tạo những vật liệu khởi đầu đa dạng bằng gây tạo đột biến thực nghiệm,… mà những phương pháp khác khó thực hiện; những thể đột biến thu được có thể được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp trong quá trình cải tiến giống.

Bên cạnh đó, tiếp tục phát triển phương pháp kết hợp gây tạo đột biến với nuôi cấy in-vitro. Thuật ngữ “biến dị dòng soma” lần đầu tiên được Larkin và Scowcroft (1981) mô tả. Biến dị này liên quan đến những thay đổi về mặt di truyền xảy ra ở cây được tái tạo thông qua nuôi cấy mô tế bào thực vật (Oono-1978; Sun Zong Xiu-1983). Tuy nhiên, tần số và phổ biến dị tự phát là rất thấp, chưa kể đến một số biến dị có lợi lại liên kết với những đặc tính gây hại cho cây (Ahloovalia-1986; Metakovsky-1987). Trong những năm gần đây, việc phát triển phương pháp mới đó là xử lí đột biến kết hợp với nuôi cấy in-vitro đã mở ra triển vọng to lớn trong cải tạo giống cây trồng. Nhờ đó, tần số và phổ biến dị dòng soma được tăng lên đáng kể (Q.H. Cai-1987; Z.Q. Liang-1992). Một trong những ưu điểm nữa của gây tạo đột biến kết hợp nuôi cấy in-vitro là khả năng tạo đột biến ở giai đoạn sớm của quá trình hình thành và phát triển cá thể (phôi non hoặc callus). Nhờ vậy, tần số đột biến cao và khả năng thu nhận những thể đột biến đồng nhất về kiểu gen trở nên dễ dàng hơn. Nuôi cấy in-vitro không những là công cụ hữu hiệu để lưu giữ, duy trì và nhân những thể đột biến lạ, quý hiếm mà còn là phương pháp phân lập và làm thuần những dòng đột biến nào đó. Trong nhiều trường hợp, nuôi cấy in-vitro là cách hiệu quả nhất để duy trì và bảo quản những đột biến thể khảm, nhờ đó khắc phục được sự đào thải của những tế bào quý hiếm do tính cạnh tranh trong mô.

Ngoài ra, kết hợp nghiên cứu đột biến với nghiên cứu sinh học phân tử cũng là một hướng đi cần được phát huy. Trong những năm gần đây, sinh học phân tử đã phát triển mạnh mẽ. Việc kết hợp sinh học phân tử và chọn giống đột biến đã chứng tỏ đó là phương pháp có hiệu quả. Kỹ thuật phân tử được sử dụng để lập bản đồ và sàng lọc những marker phân tử liên kết với những gen đột biến để xác định bản chất đột biến xảy ra trong khi chúng rất khó biểu hiện ra kiểu hình. Đồng thời, điều đó cũng nhằm xây dựng chiến lược trong việc sử dụng những gen đột biến trong cải tiến giống. Việc kết hợp giữa kỹ thuật sinh học phân tử với nghiên cứu gây tạo đột biến được thực hiện một cách chặt chẽ, có thể cung cấp những phương pháp nghiên cứu chính xác, hiệu quả, nhanh và kinh tế hơn trong công tác cải tiến cây trồng theo hướng chọn giống đột biến.