Công nghệ bức xạ trong chọn tạo giống cây trồng

Công nghệ đột biến chọn tạo giống cây trồng bằng phương pháp bức xạ là kỹ thuật sử dụng tia phóng xạ (chủ yếu là tia gamma từ nguồn 60Co hoặc 137Cs, cũng như tia X, tia neutron) để gây biến dị di truyền trên vật liệu cây trồng (hạt giống, mô thực vật). Phương pháp này đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới từ nhiều thập kỷ qua, góp phần tạo ra hàng nghìn giống cây trồng mới với tính trạng ưu việt (năng suất cao, kháng sâu bệnh, chịu khắc nghiệt môi trường). Các số liệu từ Trung tâm chung FAO/IAEA cho thấy đến năm 2015 đã có ~3.281 giống cây trồng đột biến chính thức trên toàn cầu (trong đó ~1.600 giống nhờ tia gamma); tính đến năm 2024 con số này tăng lên khoảng 3.433 giống ở hơn 200 loài cây trồng. Các giống đột biến này đã và đang được sử dụng rộng rãi, góp phần đáng kể vào an ninh lương thực nhiều nước (trong đó Việt Nam là một trong những quốc gia đi đầu).

Table of Contents

Nguyên lý đột biến do bức xạ

Tia bức xạ ion hóa (như tia gamma, X) có năng lượng cao, khi tương tác với tế bào thực vật sẽ gây tổn thương trực tiếp và gián tiếp lên ADN. Năng lượng bức xạ gây ra các phản ứng ion hóa trên phân tử DNA, tạo ra các cation gốc tự do bất ổn định, làm đứt gãy các liên kết phosphodiester và gây biến đổi cấu trúc gốc (đột biến điểm). Các tổn thương nghiêm trọng nhất là đứt gãy đơn sợi (SSB) hoặc kép (DSB) của DNA. Khi đứt gãy kép, các nhiễm sắc thể có thể hoán vị, mất đoạn hoặc hình thành đột biến lớn, góp phần tạo ra giống mới với tính trạng mong muốn hoặc gây chết tế bào nếu tổn thương quá nặng. Ngoài ra, phần lớn năng lượng bức xạ được hấp thụ bởi nước trong tế bào sẽ tạo ra các gốc oxy tự do (ROS) cực kỳ hoạt động, gây tổn thương gián tiếp cho DNA, protein và màng tế bào. Quá trình ion hóa nước (water radiolysis) sinh ra các gốc hydroxit (OH), superoxide (O₂)… khiến tế bào bị stress oxy hóa, dẫn đến đột biến cơ bản và những thay đổi sinh học quan trọng. Tổng hợp lại, bức xạ ion hóa làm tăng tần suất đột biến trong quần thể cây trồng so với tự nhiên, tạo ra đa dạng di truyền để chọn lọc ra giống có tính trạng cải tiến.

Nguồn bức xạ và thiết bị chiếu xạ

Nguồn bức xạ thường dùng trong chọn tạo giống là các đồng vị phóng xạ phát tia gamma như Cobalt-60 (60Co) và Cesium-137 (137Cs). Cụ thể, 60Co có chu kỳ bán rã ~5,27 năm và phát ra tia gamma năng lượng ~1,17 – 1,33 MeV; trong khi ^137Cs có chu kỳ ~30,17 năm và phát tia gamma ~0,662 MeV. Ngoài ra, trong thực tế còn sử dụng thiết bị phát tia X (X-ray machine) hoặc neutron (từ lò phản ứng) để chiếu xạ. Tia gamma có đặc điểm xuyên xuyên và đồng đều, dễ điều chỉnh liều lượng; tia X có ưu thế thiết kế nhỏ gọn và thuận tiện, còn tia neutron (năng lượng cao) ít được dùng hơn trong chọn tạo giống.

Để chiếu xạ vật liệu cây trồng, người ta sử dụng một số thiết bị chuyên dụng:
– Buồng chiếu gamma (Gamma Cell Irradiator): là thiết bị có buồng chắn đặc, chứa nguồn 60Co, cho phép chiếu xạ hạt giống, cấy ghép hoặc mô thực vật với liều được điều khiển chính xác. Buồng này thường dùng để gây đột biến cục bộ hoặc khử trùng hạt giống (dùng liều cao).
– Nhà kính Gamma (Gamma Greenhouse – GGH): là cấu trúc nhà kính chịu chắn phóng xạ, bên trong có nguồn 137Cs khoảng 800 Ci, chiếu tia gamma liên tục vào các cây đang sinh trưởng. Phương pháp chiếu xạ mãn tính này tạo biến dị trên cây sống, thuận lợi cho các nghiên cứu hình thành tính trạng mới trong điều kiện thực địa.
– Máy chiếu tia X: dùng nguồn tia X công suất phù hợp, thay thế cho nguồn phóng xạ nếu cần, đặc biệt trong quy mô phòng thí nghiệm hoặc để xử lý hạt giống thương mại.
– Phương pháp khác: Một số nơi sử dụng Gamma Phytotron (kết hợp chiếu tia và khí hậu kiểm soát) hoặc máy chiếu tia neutron, nhưng ít phổ biến hơn.

Ngoài ra, hệ thống đếm liều và giám sát an toàn là bắt buộc để bảo vệ con người và các vật liệu khác khỏi bức xạ. Viện năng lượng nguyên tử (VINATOM) và các viện nông nghiệp có trang bị hệ thống an toàn nghiêm ngặt khi vận hành chiếu xạ.

Một số loại thiết bị chiếu tia bức xạ phổ biến trong nông nghiệp (nguồn: tổng hợp từ các tài liệu chuyên ngành)

Thiết bị	Nguồn phóng xạ / Công nghệ	Đối tượng xử lý	Mục đích & Đặc điểm
Buồng chiếu Gamma	Đồng vị Cobalt-60 (⁶⁰Co)	Hạt giống, mô sẹo, cành ghép	Xử lý cấp tính: Chiếu liều cao trong thời gian ngắn. Thường dùng trong phòng thí nghiệm.
Nhà kính Gamma	Đồng vị Cesium-137 (¹³⁷Cs)	Cây đang sinh trưởng	Xử lý mãn tính: Chiếu liều thấp liên tục trong thời gian dài để nghiên cứu sự phát triển.
Máy phát tia X	Ống phát tia X công suất cao	Hạt giống, mẫu nhỏ	An toàn hơn (ngắt điện là hết phóng xạ), dùng thay thế nguồn đồng vị phóng xạ.

Quy trình đột biến chọn tạo giống điển hình bao gồm các bước sau:

Chuẩn bị vật liệu ban đầu (M0): Lựa chọn giống nền (hạt giống, cấy mô hoặc cành giống) có tính trạng cần cải tiến.
Chiếu xạ vật liệu: Cho các mẫu này tiếp xúc với tia gamma hoặc tia X ở liều lượng thích hợp (thử nghiệm nhiều mức liều để xác định liều gây đột biến hiệu quả nhưng không làm chết toàn bộ mẫu). Việc thiết lập liều xạ là quan trọng để tối ưu hóa tần suất đột biến mong muốn.
Tạo thế hệ đầu tiên (M1): Sau chiếu xạ, gieo trồng các mẫu vật (hạt hoặc cây con) để sinh trưởng. Thế hệ M1 thường mang nhiều đột biến nhưng chưa đồng nhất.
Sàng lọc và gây thế hệ sau (M2, M3…): Từ M1, sàng lọc chọn ra các cá thể sống sót và gieo hạt thế hệ M2. Đột biến tiềm ẩn sẽ biểu hiện rõ hơn ở M2 trở đi (kể cả đột biến trội hay lặn). Các cây ở thế hệ này được đánh giá về các tính trạng nông sinh học (chiều cao, thời gian sinh trưởng, năng suất, chống chịu sâu bệnh, tính chất chất lượng…) để chọn lọc giống ưu việt. Tiếp tục tiến hành gieo tạo M3, M4… nếu cần thiết, nhằm ổn định hóa tính trạng mới.

Sơ đồ minh họa quy trình đột biến chọn tạo giống bằng chiếu xạ tia gamma. Thế hệ vật liệu gốc (M0) được chiếu xạ, sau đó sinh ra thế hệ đột biến (M1, M2…) và được sàng lọc chọn ra giống đột biến ưu việt

Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần (chu kỳ chọn lọc + lai) để đảm bảo tính di truyền ổn định của tính trạng mong muốn. Những giống cây mới tạo ra có thể được sử dụng ngay làm giống thương phẩm hoặc dùng trong chương trình lai giống sau này. Theo các tài liệu, quy trình chọn đột biến cơ bản này đã được áp dụng thành công cho nhiều loài cây trồng (ngũ cốc, đậu đỗ, rau màu, cây công nghiệp, cây ăn trái, hoa kiểng…).

Ưu điểm và hạn chế của phương pháp bức xạ

Phương pháp gây đột biến bằng tia bức xạ có nhiều ưu điểm so với các biện pháp khác:
– Đa dạng di truyền cao: Tỷ lệ xuất hiện đột biến tăng lên đáng kể so với tự nhiên; phổ biến của đột biến rộng (từ đột biến điểm tới đứt gãy nhiễm sắc thể) giúp tạo ra đa dạng tính trạng mới[11].
– Xuyên sâu và chính xác liều: Tia gamma có khả năng xuyên qua lớn, có thể gây đột biến trên toàn bộ vật liệu mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Dễ điều chỉnh liều lượng chiếu, từ đó kiểm soát được mức độ đột biến.
– Không sinh gen ngoại lai: Đột biến nhân tạo tạo ra biến đổi gen nội tại mà không đưa gen từ loài khác; do vậy không phải chịu rào cản an toàn sinh học của giống biến đổi gen (GM)[12]. Phương pháp này cũng không liên quan đến kỹ thuật biến đổi gen (như chuyển gen, công nghệ sinh học phân tử), nên được xem là “chương trình gen nội sinh” đã được chấp nhận rộng rãi.
– Hiệu quả chi phí (về lâu dài): Sau khi đã xây dựng hệ thống chiếu xạ, chi phí cho mỗi mẫu đột biến tương đối thấp so với các công nghệ mới khác; giống đạt hiệu quả cao tăng thu nhập và an ninh lương thực.

Tuy nhiên, công nghệ này cũng có những hạn chế:
– Ngẫu nhiên và tốn công: Đột biến do bức xạ mang tính ngẫu nhiên, không thể định trước gen nào sẽ đột biến. Do đó, cần xử lý nhiều mẫu và sàng lọc hàng nghìn cá thể mới tìm được biến dị có ích. Việc này tiêu tốn thời gian và nhân lực.
– Độc tính với tế bào: Liều chiếu cao có thể gây chết tế bào hàng loạt, dẫn đến suy giảm tỷ lệ sống sót. Ngược lại, liều thấp thì ít đột biến. Cần xác định “liều bán hủy LD₅₀” cho mỗi loài để tối ưu.
– Sự xuất hiện đột biến không mong muốn: Nhiều thể đột biến có tính trạng kém hoặc khuyết tật (hạt lép, cây yếu, đột biến chết yểu) phải loại bỏ.
– Yêu cầu an toàn: Cần chuẩn bị chu đáo về an toàn bức xạ cho người vận hành và môi trường, tuân thủ quy định nghiêm ngặt.

Đánh giá Ưu điểm và Hạn chế

Ưu điểm	Hạn chế
Đa dạng di truyền: Tạo ra những biến dị không có trong tự nhiên.	Ngẫu nhiên: Không kiểm soát được vị trí gen đột biến.
An toàn sinh học: Không đưa gen lạ vào (không phải GMO), dễ được người tiêu dùng chấp nhận.	Tốn kém thời gian: Cần sàng lọc hàng nghìn cá thể để tìm ra một tính trạng tốt.
Quy mô lớn: Có thể xử lý hàng vạn hạt giống cùng lúc.	Tỷ lệ sống: Liều chiếu cao gây chết phôi hoặc cây con yếu.

Kết quả và ứng dụng toàn cầu

Theo dữ liệu từ tổ chức FAO/IAEA, đến năm 2024 đã có 3.433 giống cây trồng đột biến chính thức được ghi nhận trên toàn cầu, trải rộng ở hơn 200 loài khác nhau. Con số này gồm nhiều nhóm cây trồng quan trọng như lúa, lúa mì, ngô, đậu tương, cà chua, gạo nếp, khoai tây, cây công nghiệp (bông, đậu phộng) và nhiều loại hoa kiểng. Ví dụ, ở Nhật Bản và Trung Quốc có hơn chục giống lúa trồng trên diện tích >100.000 ha mỗi năm đã được tạo ra nhờ chiếu xạ (Rutger 1992 trích dẫn trong tài liệu). Một số giống nổi tiếng của thế giới ra đời bằng phương pháp này là lúa mạch “Diamant” (X-quang tạo đột biến bán chiều, Đức), lúa mạch “Golden Promise” (tia gamma, Anh) và lúa mì durum “Creso” (Italia).

Tỷ lệ các tác nhân gây đột biến chính (Theo FAO/IAEA)

Tác nhân gây đột biến	Tỷ lệ (%)
Tia Gamma	64%
Tia X	22%
Hóa chất & Tác nhân khác	14%

Các giống đột biến tập trung chủ yếu ở:

Ngũ cốc (50%): Lúa, lúa mì, đại mạch…
Hoa & Cây cảnh (20%): Hoa cúc, hoa hồng…
Đậu đỗ (15%): Đậu tương, đậu xanh…

Phân tích nguồn đột biến cho thấy phần lớn giống đột biến thu được là do sử dụng tia gamma. Theo Ahloowalia et al. (2004), có khoảng 64% số giống đột biến toàn cầu được tạo ra bằng tia gamma; các phần còn lại chủ yếu do tác nhân hóa học (như EMS), tia X, neutron. Ví dụ, đến năm 2015 đã có ~1.600 giống cây trồng được tạo ra nhờ chiếu xạ tia gamma (OBM Genetics 2021 còn ước tính ~1.685 giống). Số còn lại là các giống đột biến do EMS, đồng vị phóng xạ khác hay tổ hợp lai phức hợp.

Đột biến do bức xạ đã được áp dụng thành công ở hơn 70 quốc gia. Nhiều giống đột biến đã được sử dụng rộng rãi, góp phần nâng cao năng suất và khả năng chống chịu. Chẳng hạn, giống đậu tương đột biến chiếu tia gamma tại Ấn Độ (chẳng hạn giống TS 67) tăng sản lượng gấp đôi so với giống ban đầu; ở Nhật, hơn 400 giống lúa đột biến đã được sử dụng rộng rãi từ năm 1950; ở Trung Quốc có nhiều giống đậu phộng (lạc) đột biến năng suất cao. Các tổ chức quốc tế như IAEA và FAO đã duy trì Cơ sở dữ liệu Giống đột biến (MVD) cho biết, tính đến nay đã có hàng nghìn giống được ghi nhận, minh chứng hiệu quả của phương pháp này.

Lược đồ thời gian minh hoạ sự xuất hiện của một số giống cây trồng đột biến do chiếu xạ (ví dụ: đậu tây năm 1956, lúa mạch năm 1962, lúa miến năm 1963, khoai tây năm 1989, hành năm 2018…). Mặc dù đây chỉ là minh họa từng sự kiện cụ thể, nhìn chung hơn 3.400 giống đã được chọn tạo thông qua đột biến nhân tạo trên toàn cầu đến năm 2024.

Ứng dụng và tiềm năng ở Việt Nam

Việt Nam có nền nông nghiệp rộng lớn, đã sớm quan tâm đến công nghệ đột biến chọn tạo giống. Nghiên cứu và ứng dụng chiếu xạ đột biến ở Việt Nam bắt đầu từ khoảng cuối thập niên 1970 (thế kỷ 20). Từ những năm 1980, với sự hỗ trợ kỹ thuật của IAEA và các dự án hợp tác quốc tế, nhiều tổ chức nghiên cứu trong nước (Viện Di truyền Nông nghiệp, Viện Khoa học Nông nghiệp Miền Nam, Viện Lúa ĐBSCL,…) đã triển khai chương trình đột biến chọn tạo. Kết quả đã tạo ra hàng chục giống cây trồng mới, đặc biệt là giống lúa có năng suất cao, chất lượng tốt và khả năng chịu ngập úng, nhiễm mặn được cải thiện. Ngoài lúa, các giống đậu tương, ngô, rau, hoa kiểng đột biến cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng ở một số địa phương.

Một minh chứng cho thành tựu của Việt Nam là việc giành giải thưởng cao tại các hội nghị IAEA về đột biến giống. Năm 2014, Việt Nam giành 3 trong 23 giải thưởng quốc tế (trong đó có giải “Thành tựu xuất sắc”) về lĩnh vực đột biến tạo giống, ghi nhận những đóng góp của Viện Di truyền Nông nghiệp cùng các tổ chức khác trong nước. IAEA đánh giá cao hiệu quả kinh tế – xã hội của các giống đột biến Việt Nam đưa ra, cho thấy phương pháp này đã đóng góp đáng kể vào an ninh lương thực.

Cụ thể, hiện nay Viện Di truyền Nông nghiệp (thuộc Bộ NN&PTNT) được trang bị máy chiếu xạ gamma chuyên dụng (đầu tiên do VINATOM chuyển giao) để phát triển chương trình giống đột biến. Ví dụ, giống đậu tương DT2008 là thành quả của phương pháp này: hạt giống DT2008 được xử lý chiếu xạ gamma liều 180 Gy để tạo đột biến, sau đó đã được Bộ NN&PTNT công nhận là giống chính thức. Giống đậu tương này có nhiều ưu điểm như hạt vàng chắc, chống chịu tốt, được trồng thành công trên diện rộng nhiều tỉnh thành cả nước. Nhiều giống lúa mới như DT45, DT66, DT80 cũng được phát triển từ đột biến và lan rộng ở đồng bằng Bắc Bộ.

Ở cấp độ sản xuất, các giống đột biến nội địa đang được nông dân trồng ngày càng nhiều nhờ ưu thế năng suất và chất lượng. Báo cáo của IAEA ghi nhận hơn 50% diện tích đậu tương của một số vùng ở Việt Nam hiện đang sử dụng giống đột biến của nước ta[23]. Các dự án hợp tác quốc tế khác như Chương trình hợp tác kỹ thuật (TCP) giữa VINATOM và FAO/IAEA tiếp tục hỗ trợ chuyển giao công nghệ, đào tạo và thử nghiệm đồng ruộng, giúp rút ngắn thời gian triển khai giống mới.

Tóm lại, công nghệ bức xạ đã trở thành một công cụ quan trọng trong kho tàng chọn tạo giống của Việt Nam. Nó bổ sung nguồn tài nguyên di truyền quý giá cho việc cải tiến giống, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và nhu cầu tăng năng suất. Với việc tiếp tục đầu tư cơ sở vật chất, nâng cao năng lực nghiên cứu và hợp tác quốc tế, tiềm năng ứng dụng của công nghệ này trong phát triển nông nghiệp bền vững ở Việt Nam còn rất lớn.

Đột biến chọn tạo giống bằng bức xạ (tia gamma, X, neutron) là một phương pháp đã được chứng minh mang lại hiệu quả cao trong việc phát triển giống cây trồng mới, bổ sung nguồn biến dị di truyền phong phú. Phương pháp này có ưu thế về tần suất tạo đột biến lớn, phổ biến biến đổi rộng và không sinh gen ngoại lai, nên được xem là phù hợp với các yêu cầu nông nghiệp không phải GMO. Trên thế giới có hơn 3.400 giống đột biến được công nhận, trải dài từ cây lương thực đến cây công nghiệp và cây cảnh. Ở Việt Nam, công nghệ bức xạ đã đóng góp quan trọng cho tiến bộ giống lúa, đậu tương, hoa màu… qua sự hợp tác với IAEA và các tổ chức quốc tế. Trong tương lai, sự kết hợp đột biến bức xạ với công nghệ gen và các phương pháp hiện đại khác (như chỉnh sửa gen) hứa hẹn sẽ mở rộng khả năng tạo giống đột biến hiệu quả hơn nữa, giúp nâng cao năng suất và khả năng chống chịu của cây trồng trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Từ khoá: đột biến;

– CMD –