Nhân giống đột biến sử dụng công nghệ bức xạ đã ra đời và phát triển được gần 100 năm, cải tạo thành công cây trồng thông qua việc tăng sự biến đổi di truyền. Thực tế hiện nay, đảm bảo lương thực vẫn đang là vấn đề toàn cầu khi phải đối mặt với một loạt thách thức như tăng dân số, ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu. Mặc dù các công nghệ tiên tiến như chỉnh sửa gen đã mang lại nhiều phương pháp hiệu quả để tạo ra các giống cây trồng, nhưng việc tăng cường sự đa dạng của tế bào chất thông qua đột biến vẫn là điều không thể thiếu trong chọn giống cây trồng hiện nay.
Cây trồng cung cấp sự đảm bảo cơ bản nhất cho khả năng tồn tại của con người trên Trái đất, việc thuần hóa nó đóng vai trò quan trọng để phát triển cây hoang dã, tạo ra các giống mới thông qua sàng lọc lâu dài các đặc điểm mong muốn từ đột biến gen gây ra. Tuy nhiên, sự biến đổi tự phát đó lại xuất hiện với tần suất cực kỳ thấp trong tự nhiên (∼10e-6), làm cho quá trình sàng lọc giống có đặc điểm tốt trở nên khó khăn. Do đó, việc đẩy nhanh tần suất đột biến là yếu tố then chốt trong phát triển giống cây trồng.
Lịch sử khoa học đã ghi nhận hàng loạt kỹ thuật trong chọn giống cây trồng từ lai tạo tiến hóa tự nhiên đến lai tạo đột biến. Kỹ thuật nhân giống đột biến là sử dụng các phương pháp đột biến nhân tạo để thu được các giống cây trồng mới, chủ yếu thông qua đột biến hóa học hoặc bức xạ. Đột biến hóa học là phương pháp sử dụng các phản ứng sinh hóa giữa tác nhân hóa học và vật chất di truyền, kết quả chủ yếu là các biến đổi gen. Mặc dù gây đột biến hóa học rất dễ thực hiện nhưng lại có tác động không nhỏ đến môi trường và an toàn sinh học. Trong khi đó, đột biến bức xạ là đột biến có khả năng mang đến các dạng di truyền phức tạp hơn và nhiều kiểu hình đột biến có lợi hơn.
Các dạng nhân giống đột biến bằng công nghệ bức xạ
Nhân giống đột biến bức xạ thường được chia thành nhân giống đột biến bức xạ cổ điển, nhân giống đột biến hạt và nhân giống đột biến bức xạ không gian. Các phương pháp gây đột biến bức xạ cổ điển chủ yếu sử dụng tia X và tia gamma. Nhân giống đột biến bức xạ cổ điển là phương pháp thường được sử dụng và đã được chứng minh lợi thế trong việc biến đổi cây trồng. Phương pháp này sử dụng các tia bức xạ khác nhau để gây ra lượng lớn đột biến gen và tăng tốc độ sản sinh các đặc tính đột biến thông qua tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên DNA. Điều này mang đến khả năng tạo ra nhiều thuộc tính mong muốn chưa từng có hoặc đã bị mất đi trong quá trình tiến hóa của cây trồng. Cho đến nay, đã có rất nhiều giống mới được sử dụng rộng rãi trong sản xuất từ việc lai tạo bằng công nghệ nhân giống đột biến bức xạ cổ điển.
Nhân giống đột biến hạt chủ yếu sử dụng các hạt được gia tốc như hạt ion nặng hoặc proton. Các loại hạt này có các đặc tính vật lý độc đáo, như thông số bức xạ đa dạng, cấu trúc hoàn chỉnh và phân bố liều theo chiều sâu. Các hạt gia tốc có thể gây đột biến mạnh mẽ cho cây trồng khi có khả năng gây đột biến sinh học tuyệt đối với liều lượng bức xạ tương đối thấp. Một ưu thế đáng chú ý của nhân giống đột biến hạt là có thể tạo ra cây trồng đa giống mới với các đặc điểm tốt mà không sinh ra các dạng kiểu hình khác.
Với sự tiến bộ của khoa học hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực vũ trụ, các hoạt động bên ngoài không gian sẽ trở nên phổ biến hơn trong tương lai. Đặc điểm của môi trường không gian bên ngoài bầu khí quyển là vi trọng lực xen kẽ nhiều bức xạ và từ trường. Môi trường đặc biệt và phức tạp này mang lại tiềm năng mới cho nhân giống đột biến. So với dạng bức xạ truyền thống, nhân giống đột biến bức xạ không gian có tần số đột biến và đa bội hóa cao; tỷ lệ đột biến có thể đạt 10%.
Sự phát triển của nhân giống đột biến bằng công nghệ bức xạ
Bức xạ được cho là một “chất gây đột biến” kể từ khi Muller chứng minh việc tiếp xúc với tia X có thể làm biến đổi gen vào năm 1928. Sau khi Stadler xuất bản bài báo đầu tiên về đột biến khi chiếu xạ ngô và lúa mạch, bức xạ đã được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển các giống cây trồng mới cho sản xuất và làm nguồn gen. So với các phương pháp nhân giống khác như lai tạo và gây đột biến hóa học, lai tạo đột biến bức xạ có những ưu điểm vượt chội với độ phổ biến đột biến rộng và khả năng gây đột biến cao. Cho đến nay, đã có 3.365 giống đột biến được đăng ký trong Cơ sở dữ liệu về giống đột biến của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) và hơn 1.000 giống mới được sử dụng và quảng bá trên toàn thế giới. Khoảng 70% trong tổng số giống đăng ký được tạo ra bằng tia gamma và tia X.
Số lượng giống đột biến được đăng ký tại IAEA trong giai đoạn 1960–2020 (dữ liệu từ Cơ sở dữ liệu về giống đột biến của IAEA)
Quá trình nhân giống đột biến bức xạ bắt đầu với sự tương tác giữa bức xạ và DNA, thay đổi trực tiếp cấu trúc và chức năng phân tử DNA thông qua năng lượng bức xạ và gián tiếp từ các gốc tự do tạo ra tương tác thô giữa các phân tử nước và bức xạ ion hóa. Để duy trì tính toàn vẹn của bộ gen, các tế bào phát triển một tập hợp “cơ chế sửa chữa” để giải quyết các tổn thương DNA. Tổn thương DNA có thể được chia thành hai loại: đứt gãy sợi đơn (SSB) và đứt gãy sợi kép (DSB). Tuy nhiên, tổn thương DNA không tương đương với đột biến, nếu tổn thương DNA được sửa chữa chính xác sẽ không có đột biến nào tồn tại. Đột biến là kết quả từ các “lỗi” trong quá trình sửa chữa DNA. Một số lỗi là do ngẫu nhiên, chẳng hạn như lỗi tái tạo do một số đứt gãy sợi đơn không được phát hiện trước khi sao chép DNA, các sợi đơn DNA không ổn định trong quá trình sửa chữa và sự tham gia của polymerase có độ bền thấp. Đối với các DSB nghiêm trọng, việc xóa và sắp xếp lại các đoạn được thực hiện trong quá trình sửa chữa. Nếu những đột biến này được giữ lại trong lần phân chia tế bào tiếp theo được di truyền bởi thế hệ tiếp theo, chúng sẽ trở thành nguồn gốc của các đột biến.
Hai nguồn đột biến ở thế hệ tiếp theo, bên trái cho thấy thể đột biến có nguồn gốc từ sự di truyền trực tiếp từ giống được chiếu xạ, bên phải cho thấy thể đột biến được hình thành thông qua sự bất ổn định của hệ gen do bức xạ gây ra.
Tính ổn định di truyền của bộ gen là chìa khóa để duy trì sự tăng sinh và biệt hóa tế bào bình thường. Các tế bào bình thường có cơ chế phản ứng và điều chỉnh DNA phù hợp để đối phó với các tác động bên trong và bên ngoài gây ra, đồng thời duy trì các tổn thương và sửa chữa bộ gen ở trạng thái tương đối cân bằng. Tuy nhiên, khi sự cân bằng này bị phá vỡ, các tế bào sẽ đi vào trạng thái nhạy với DNA được gọi là trạng thái không ổn định về bộ gen, có thể do đột biến gen hoặc mô đun biểu sinh gây ra. Các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng tia gamma, neutron, proton và hạt alpha có thể gây ra sự bất ổn định về hệ gen trong tế bào, biểu hiện sự gia tăng asan trong các dạng đột biến khác nhau, chẳng hạn như đột biến đơn nucleotide, tăng hoặc giảm số lượng bản đồ gen, khuếch đại gen, sắp xếp lại và xóa gen.
Công nghệ mới gây đột biến bằng bức xạ hạt
Không giống như công nghệ bức xạ gây đột biến bằng tia gamma và tia X cổ điển, công nghệ gây đột biến mới hiện nay là sử dụng các ion nặng hoặc proton được gia tốc. So với bức xạ cổ điển, bức xạ hạt gia tốc có thể tích tụ nhiều năng lượng hơn dọc và duy trì tần số đột biến cao hơn, phổ đột biến ở liều tương đối thấp. Điều này là do các hạt được gia tốc nhờ năng lượng tuyến tính cao (LET) gây ra sự ion hóa kéo dài, tác động lớn đến DNA trong một khu vực nhỏ. Sự di truyền để sửa chữa dẫn đến việc tạo ra các đoạn DNA tự do, góp phần hình thành sự sắp xếp lại nhiễm sắc thể và sự mất đoạn lớn. Sự sắp xếp lại và biến đổi gen này tạo ra nhiều tổ hợp đột biến gen hơn, do đó phá vỡ sự di truyền liên kết của các tính trạng và từ đó có thể thu được nhiều đột biến với các đặc điểm mong muốn.
Hiện nay có rất nhiều cơ sở máy gia tốc hạt trên thế giới, nhưng hầu hết chúng được sử dụng cho nghiên cứu vật lý hạt nhân, rất ít cơ sở được sử dụng cho mục đích phục vụ nông nghiệp. Máy gia tốc hạt có thể được chia thành máy gia tốc hạt năng lượng trung bình và cao (mức MeV hoặc GeV) và máy gia tốc hạt năng lượng thấp (mức KeV). Cho đến nay, các cơ sở máy gia tốc hạt năng lượng trung bình và năng lượng cao được sử dụng để nhân giống đột biến bức xạ hạt bao gồm RIBF của Viện Nghiên cứu Vật lý và Hóa học (RIKEN, Nhật Bản), TIARA của Viện Khoa học và Công nghệ Lượng tử Quốc gia (QST, Nhật Bản), W- MAST của Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng Wakasa Wan (WERC, Nhật Bản), LNS của Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia (INFN, Ý), HIRFL của Viện Vật lý Hiện đại, Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS-IMP, Trung Quốc) và CYCIAE100 của Viện Năng lượng Nguyên tử Trung Quốc (CIAE, Trung Quốc). Trong lĩnh vực gây đột biến hạt năng lượng thấp, các cơ sở nghiên cứu tiêu biểu nhất là IBBe-Device của Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì, Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS-HIPS, Trung Quốc), IBBT của Đại học Chiang Mai (CMU, Thái Lan)…
Các cơ sở máy gia tốc hạt được sử dụng trong nhân giống đột biến
Trong giai đoạn đầu phát triển, công nghệ này đã được sử dụng để cải tiến cây cảnh và hầu hết các giống cây trồng mới được tạo ra đã được xuất khẩu trên toàn thế giới. Kể từ những năm đầu thế kỷ XXI, nghiên cứu về cải tiến giống và khả năng gây đột biến cây lương thực đã được thực hiện. Trong hơn 30 năm ứng dụng cho thấy tần suất xuất hiện các tính trạng mới trên cây trồng được tạo ra bởi công nghệ này là tương đối cao, đột biến tương đối ổn định và thời gian nhân giống được rút ngắn đáng kể. Các tác nhân gây đột biến cây lương thực và cây cảnh với các đặc điểm tốt được tạo ra bởi công nghệ này có thể trực tiếp xuất hiện trên các giống cây trồng mới hoặc làm nguyên liệu để lai tạo, góp phần giải quyết các vấn đề về lương thực và môi trường.
Từ khóa: đột biến bức xạ; nhân giống; tia X; tia gamma; máy gia tốc
– CMD&DND –
