Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng chiếu xạ nhằm tạo ra các dòng cà chua đột biến cho năng suất cao từ nguồn vật liệu của Cuba

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

95
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận văn "Nghiên cứu ứng dụng chiếu xạ nhằm tạo ra các dòng cà chua đột biến cho năng suất cao từ nguồn vật liệu của Cuba" nhằm tạo ra các dòng cà chua đột biến có năng suất cao bằng phương pháp chiếu xạ gây đột biến.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng chiếu xạ nhằm tạo ra các dòng cà chua đột biến cho năng suất cao từ nguồn vật liệu của Cuba

MỤC LỤC 1
MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài Cà chua (Lycopersicon esculentum Mill ) là một loại rau ăn quả có giá trị kinh tế và giá trị dinh dưỡng cao, là một trong những loại rau ưu tiên có chiều hướng phát triển mạnh cả về chất và lượng. Chính vì vậy, sản lượng cà chua trên thế giới luôn tăng mạnh. Theo thống kê của FAO (2006) sản lượng cà chua đứng thứ hai trên thế giới sau khoai tây. Cùng với sự phát triển của nền nông nghiệp thế giới, sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam đang trên đà phát triển dựa trên những tiến bộ về khoa học kỹ thuật, đưa cây trồng có giá trị cao vào canh tác nhằm tăng thu nhập cho người dân, đặc biệt là loại cây trồng ngắn ngày nhanh cho thu hoạch phù hợp với phương thức sản xuất luân canh, có khả năng xuất khẩu và chế biến công nghiệp nên cây cà chua là đối tượng được quan tâm và đặt lên hàng đầu. Trong những năm qua, các cơ quan chuyên môn, nhiều nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu cây cà chua theo nhiều hướng khác nhau, một trong các hướng đã được các nước ứng dụng rộng rãi là phương pháp chọn giống đột biến bằng phương pháp chiếu xạ, một ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp để cải tạo, nâng cao chất lượng của các giống cây trồng đồng thời cũng phát triển các giống mới với đặc điểm sinh học được cải tiến. Bằng phương pháp chiếu xạ giúp rút ngắn thời gian chọn tạo giống so với các phương pháp chọn giống truyền thống đồng thời có thể tạo ra những tính trạng quý chưa có ở giống gốc. Chọn 2
giống đột biến đóng góp vai trò quan trọng trong việc cải tiến cây trồng nói chung và cà chua nói riêng. 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 chỉ thị 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. Việc xác định các giống cà chua có năng suất cao đáp ứng nhu cầu con người và giúp tăng thu nhập cho người nông dân là vấn đề cấp thiết được đặt ra. Xuất phát từ thực tiễn trên chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng chiếu xạ nhằm tạo ra các dòng cà chua đột biến cho năng suất cao từ nguồn vật liệu của Cuba”. 2. Mục đích nghiên cứu Tạo ra các dòng cà chua đột biến có năng suất cao bằng phương pháp chiếu xạ gây đột biến. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Từ kết quả nghiên cứu chúng tôi đưa ra một số dòng cà chua có triển vọng giúp tăng thu nhập cho người dân. 3
Đề tài bổ sung thêm vào các tài liệu khoa học phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu. Chương1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Nguồn gốc, phân loại, đặc điểm và giá trị của cây cà chua 1.1.1. Nguồn gốc Cà chua có nguồn gốc ở Pêru, Bolivia và Equado. Trước khi Crixtop Côlông phát hiện ra châu Mỹ thì ở Pêru và Mêhicô đã có trồng cà chua. Những loài cà chua hoang dại gần gũi với cà chua trồng ngày nay vẫn tìm thấy ở dọc theo dãy núi Andes (Pêru), Bolivia và Equado. Các nhà thực vật học De candolle (1884), Mulle (1940), Luckuwill (1943), Brezney (1955)… đều thống nhất cho rằng cây cà chua có nguồn gốc ở bán đảo Galapagos bên bờ biển Nam Mỹ, Pêru, Equado và Chilê. Người trồng trọt đã thuần dưỡng những giống cà chua quả nhỏ và dạng hoang dại, những giống và loài hoang dại được mang từ nơi xuất xứ đến Trung Mỹ , cuối cùng đến Mêhicô. [6] Theo các tài liệu của châu Âu thì chắc chắn cà chua được người Aztec và người Toltec mang đến. Đầu tiên người Tây Ban Nha đem cà chua từ châu Âu về, rồi sau đó đưa đến vùng Địa Trung Hải. Đầu thế kỷ 18, cà chua đã trở lên phong phú, đa dạng nhiều vùng trồng làm thực phẩm. Thời kỳ này cà chua lại từ châu Âu quay lại Bắc Mỹ. Cho đến thế kỷ 19, cà chua trở thành loại thực phẩm không thể thiếu trong bữa ăn thường nhật và được trồng rộng rãi. 4
1.1.2. Phân loại thực vật Cà chua thuộc họ Solanaceae, chi Lycopersicon. Tên khoa học là Lycopersicon esculencum Mill. Theo tác giả Breznhev.D (1964) Lycopersicon gồm 3 loài thuộc hai chi phụ Subgenus 1 Eulycopersicon: các dạng cây một năm, quả không có lông, màu đỏ hoặc vàng, hạt mỏng, rộng…..chi này gồm một loài L. Esculentum Loài này chia làm 3 loài phụ. + ssp. Spontaneum Brezh: (cà chua dại): có hai biến chủng là var. Racemigerum và var.Pimpinellifolium: hai biến chủng này thường quả nhỏ, hàm lượng chất khô cao, chống bệnh tốt và có giá trị để sử dụng làm vật liệu khởi đầu cho chọn giống. + ssp. Subspontaneaum ( cà chua bán trồng): có 5 biến chủng là: Var. Pruniform: Dạng quả mận Var. purifomae: dạng quả lê Var. cerasifomae: dạng quả anh đào Var. Elongatum: dạng quả dài hay gọi là dạng quả nhót. Var. Succenturiatum: dạng quả nhiều ngăn hạt. Năm biến chủng này thân mập, quả rất nhỏ, dùng làm vật liệu chọn giống. + ssp. Cultum (cà chua trồng): gồm 3 biến chủng Var. Vulgare: cà chua thường Var. Validum: dạng thân bụi. Var. Grandiflium: dạng kiểu lá khoai tây. Subgenus 2 Eriopersicon: chi phụ này gồm các loài dại, cây dạng một năm hoặc nhiều năm, gồm các dạng quả có lông, màu trắng, xanh lá cây 5
hay vàng nhạt, có các vệt màu antoxian hay xanh thẫm. Hạt dày không có lông màu nâu…chi phụ này gồm hai loài và các loài phụ. + Loài L. Peruvianum. Mill: loài này có nhiều biến dạng trong đó có. Var. Cheesmanii Riloey; var. Chessmaniifminor.C.H.Mull; var.Dentatum Dum. + Loài L. Hirsutum Humb.et.Bonpl: loài này gồm hai loài phụ Var. glabratum C.H. Mull và var. glandulosum C.H.Mull. có một vài tính trạng có ý nghĩa trong chọn giống, các cơ quan sinh trưởng phủ một lớp lông tơ. 1.1.3. Đặc tính thực vật Cà chua là cây một năm. Tuy nhiên trong điều kiện tối ưu nhất định cà chua có thể là cây nhiều năm. 1.1.3.1. Hệ rễ Cà chua có hệ rễ chùm, ăn sâu và phân nhánh mạnh, khả năng phát triển rễ phụ rất lớn. Trong điều kiện tối ưu những giống tăng trưởng mạnh có hệ rễ ăn sâu 1 1,5m và rộng 1,52,5m. Vì vậy cà chua chịu hạn rất tốt. Khi cây rễ chính bị đứt, bộ rễ phụ phát triển và phân bố rộng nên cây cũng chịu đựng được điều kiện khô hạn.Trong quá trình sinh trưởng, hệ rễ chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện môi trường như nhiệt độ đất, độ ẩm…ở nhiệt độ đất thấp (14160C) sự phát triển rễ chậm lại 1520 ngày. Nhiệt độ đất cao (>350C) rễ cà chua phát triển bị trở ngại và có thể bị chết. 1.1.3.2. Thân 6
Thân tròn thẳng đứng, mọng nước, phủ nhiều lông, khi cây lớn gốc thân dần dần hoá gỗ. Thân mang lá và phát hoa. Ở nách lá là chồi nách, chồi nách ở các vị trí khác nhau có tốc độ sinh trưởng và phát dục khác nhau, thường chồi nách ở ngay dưới chùm hoa thứ nhất có khả năng sinh trưởng mạnh và phát dục lớn so với các chồi nách gần gốc. Tuỳ khả năng sinh trưởng và phân nhánh các giống cà chua được chia làm 4 dạng hình: Dạng sinh trưởng hữu hạn: chiều cao từ 65120cm Dạng sinh trưởng vô hạn: Chiều cao cây từ 120>200cm, thân sinh trưởng mạnh Dạng sinh trưởng bán hữu hạn: Chiều cao cây 6595cm Dạng lùn: cây thấp, chiều cao cây dưới 65cm, cây lùn mập, khoảng cách giữa các lóng ngắn. 1.1.3.3. Lá Lá cà chua là đặc trưng hình thái để phân biệt giống này với giống khác. Lá thuộc loại lá kép lông chim lẻ, mỗi lá có 34 đôi lá chét, ngọn lá có một lá riêng gọi là lá đỉnh. Rìa lá chét đều có răng cưa nông hay sâu tuỳ giống, phiến lá thường phủ lông tơ. Đặc tính lá của giống thường thể hiện đầy đủ sau khi cây có chùm hoa đầu tiên. Số lá là đặc điểm di truyền của giống, nhưng cũng bị ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình hình thành. Khi hình thành 10 lá đầu tiên cần nhiệt độ trung bình hơn 130C, hình thành 20 lá cần nhiệt độ trung bình ngày đêm là 240C, nếu nhiệt độ thấp hơn 130C thì quá trình xuất hiện lá mới sẽ chậm lại. 7
1.1.3.4. Hoa Hoa mọc thành chùm, lưỡng tính, tự thụ phấn là chính. Sự thụ phấn chéo ở cà chua khó xảy ra vì hoa cà chua tiết nhiều tiết tố chứa alkaloid độc nên không hấp dẫn côn trùng và hạt phấn nặng không bay xa được. Số lượng hoa trên chùm hoa thay đổi tuỳ giống và thời tiết, thường từ 5 20 hoa. Màu sắc của cánh hoa thay đổi theo quá trình phát triển từ vàng xanh đến vàng tươi rồi vàng úa. Hoa cà chua nhỏ, hoa đính vào chùm bằng một cuống ngắn. Một lớp tế bào riêng rẽ hình thành ở cuống hoa, khi gặp điều kiện không thuận lợi sẽ thúc đẩy quá trình hình thành tầng rời, lớp tế bào sẽ khô héo và chết. Cà chua có 3 loại chùm hoa: Đơn giản, trung gian và phức tạp. Cà chua là loại cây có khả năng ra hoa nhiều nhưng tỉ lệ đậu quả thấp, đặc biệt khi gieo trồng trong những điều kiện bất lợi. Nguyên nhân rụng nụ, hoa rất phức tạp song chủ yếu do hình thành tầng rời, lớp tế bào bị chết làm cho hoa rụng khỏi chùm. Số hoa trên cây là đặc điểm di truyền của giống nhưng cũng chịu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh, chất lượng dinh dưỡng không đầy đủ, kỹ thuật chăm sóc….. 1.1.3.5. Qủa Qủa thuộc loại mọng nước gồm: vỏ, thịt quả, vách ngăn và giá noãn. Qủa cà chua được cấu tạo từ 2 đến nhiều ngăn. Số lượng quả trên cây là đặc tính di truyền của giống và cũng chịu ảnh hưởng của điều kiện ngoại cảnh, chất lượng dinh dưỡng không đầy đủ, kỹ thuật chăm sóc… Số lượng quả thay đổi lớn từ 45 quả đến vài chục quả. Khối lượng quả có sự chênh lệch đáng kể giữa loài và trong loài từ 23g đến 200 300g. Trên cùng một giống cà chua, số lượng quả và khối lượng quả có 8
sự tương quan nghịch: số lượng quả nhiều thì khối lượng quả nhỏ và ngược lại. Số lượng quả trên cây cũng tương quan rất chặt đến năng suất. Đây cũng là một trong những tính trạng quan tâm của các nhà chọn tạo giống. Hình dạng quả cà chua thay đổi từ tròn, bầu dục đến dài. Vỏ quả có thể nhẵn hoặc có khía. Màu sắc của quả thay đổi tuỳ giống và điều kiện thời tiết, thường màu sắc quả là màu phối hợp giữa màu vỏ quả và thịt quả. Chất lượng quả cà chua được thể hiện qua các chỉ tiêu: cấu trúc quả, độ rắn, tỉ lệ thịt/quả, tỉ lệ đường/ axit và sắc tố quả. Sự cân bằng về đường và axit thể hiện hương vị thích hợp. 1.1.3.6. Hạt Hạt cà chua nhỏ, nhiều lông, màu vàng sáng hoặc hơi tối. Hạt nằm trong buồng chứa nhiều dịch bào kìm hãm sự nảy mầm của hạt. Trung bình có 50350 hạt trong quả, trọng lượng 1000 hạt là 2,53g. 1.1.4. Gía trị dinh dưỡng và ý nghĩa kinh tế Cà chua là loại rau quả quý được sử dụng rộng rãi trên thế giới hơn 150 năm qua. Trong quả chín có nhiều chất dinh dưỡng như đường, vitaminA, vitamin C và các chất khoáng quan trọng như Ca, Fe, P, K, Mg…[6] Theo ED War, D.C Tigche LAAR (1989) thành phần hoá học trong quả cà chua chín như sau: Nước: 94 – 95% Chất khô: 5 – 6% trong đó: 55% đường; 21% chất khô hoà tan trong rượu, protein, xenlulozơ, pectin, polysaccarit; 7% chất vô cơ; 5% các chất khác. 9
Theo PGS.TS. Hồ Hữu An (20032006) cho thấy thành phần dinh dưỡng trong quả cà chua phụ thuộc rất nhiều yếu tố như thời vụ gieo trồng, giống và các biện pháp kĩ thuật gieo trồng. Cà chua còn được sử dụng về mặt thẩm mỹ và y học: Cà chua có thể dùng để chống tiêu chảy, chữa bỏng nắng, giảm đau, làm lành vết thương. Cà chua còn làm thuốc tăng lực, bổ gan và chống xơ gan, sử dụng cà chua hàng ngày giúp chúng ta tiêu hoá khi ăn nhiều mỡ động vật, trứng, phomat…phòng được bệnh xơ cứng thành mạch. Phụ nữ dùng quả cà chua đắp mặt hàng ngày làm cho da căng sáng, không nếp nhăn, chống lão hoá.Trong cà chua còn chứa các amino axit (trừ triptophan), giá trị dinh dưỡng của cà chua rất phong phú vì vậy hàng ngày mỗi người sử dụng từ 100 – 200g cà chua sẽ thoả mãn nhu cầu vitamin cần thiết và các chất khoáng chủ yếu. Lycopen có trong cà chua là chất chống oxi hoá tự nhiên liên quan tới vitamin A đã được chứng minh có khả năng ngăn ngừa bệnh ung thư tuyến tiền liệt, vì lycopen là chất có khả năng ngăn ngừa các gốc tự do gây ung thư. Cà chua còn dùng để làm tăng hương vị của các món ăn và tạo cho món ăn thêm hấp dẫn, cà chua có thể chế biến thành nhiều loại khác nhau như cà chua cô đặc, nước cà chua, cà chua nguyên quả đóng hộp, cà chua muối, dầm dấm, làm salat, mứt…[7] Cà chua không chỉ là cây rau có giá trị kinh tế cao, nó còn là mặt hàng xuất khẩu của nhiều nước trên thế giới. Tuỳ theo đặc điểm của từng vùng sinh thái, tuỳ mùa vụ, một sào bắc bộ có thể cho thu nhập từ 13 triệu đồng. Theo trung tâm khuyến nông quốc gia (31/03/2006) cà chua 10
trái vụ ở Thực Đạt (Hải Dương) thu được 35 triệu/sào (80 triệu đồng/ha). Có thể nói cà chua đã trở thành cây xoá đói, giảm nghèo cho người dân nơi đây. 1.2. Tình hình sản xuất cà chua trên thế giới và ở Việt Nam 1.2.1. Tình hình sản xuất cà chua trên thế giới Cà chua đã trở thành một trong những cây trồng thông dụng và được trồng phổ biến, rộng rãi trên khắp thế giới. Nghiên cứu lịch sử trồng trọt cho biết đến tận thế kỉ thứ 19, cà chua vẫn chỉ được trồng như một cây cảnh nhờ màu sắc đẹp của quả. Ngày nay, người ta đã biết ankaloid trong quả cà chua là tomatin, một chất ít độc kể cả khi nó có hàm lượng rất cao. Bởi vậy, sản xuất và sử dụng cà chua trên thế giới không ngừng tăng lên. Từ năm 1990 – 2001 diện tích trồng cà chua trên thế giới từ 2.868,443 ha tăng lên 3.745,299 ha và sản lượng từ 76.022,112 tấn tăng lên 100.259,346 tấn nhưng năng suất gần như không tăng. Phải chăng do những ứng dụng tiến bộ kỹ thuật mới vào trồng trọt, chăm sóc cà chua chưa nhiều. Trong những năm gần đây diện tích, năng suất và sản lượng cà chua tăng lên thể hiện qua bảng sau Bảng 2.1. Tình hình sản xuất cà chua trên thế giới 11
Năm Diện tích Năng suất Sản lượng (nghìn ha) (tấn/ha) (nghìn tấn) 2000 3.750,176 27.192 101.975,637 2001 3.745,229 26.770 100.259,346 2002 3.998,219 27.005 107.972,098 2003 4.188,389 27.921 116.943,619 2005 4.570,869 27.222 124426,995 Nguồn:theo thông kê của FAO (20002006) Thống kê của FAO cho thấy, diện tích cà chua trên thế giới năm 2005 đạt 4.570,869 ha tăng gấp 1,4 lần so với năm 1995. Bảng 2.2: Sản lượng cà chua của thế giới và các nước dẫn đầu TT Quốc gia 1995 2000 2003 2005 1 Thế giới 87.592,093 108.339,598 116.943,619 124.426,995 2 Trung Quốc 13.172,494 22.324,767 28.842,743 31.644,040 3 Mỹ 11.784,000 11.558,800 10.522,000 11.043,300 4 Thổ Nhĩ Kỳ 7.250,000 8.890,000 9.820,000 9.700,000 5 Ấn Độ 5.260,000 7.430,000 7.600,000 7.600,000 6 Italy 5.182,000 7.538,100 6.651,505 7.087,016 7 Ai Cập 5.034,179 6.785,640 7.140,198 7.600,000 8 Tây Ban Nha 2.841,100 3.766,328 3.947,327 4.651,000 9 Braxin 2.715,016 2.982,840 3.708,600 3.396,767 10 Iran 2.403,367 3.190,999 4.200,000 4.200,000 11 Mêhico 2.309,968 2.086,030 2.148,130 2.800,115 12 Hy Lạp 2.064,160 2.085,000 1.830,000 1.713,580 12
Nguồn:Thống kê của FAO (2002006) Qua bảng tổng kết cho thấy: Đến năm 2005 thì Trung Quốc vẫn luôn là nước đứng đầu trên thế giới về diện tích và sản lượng cà chua, tiếp theo là Mỹ và Thổ Nhĩ Kỳ. Có thể thấy rằng cà chua đang là mặt hàng nông sản được sản xuất chủ lực ở các nước ôn đới và á nhiệt đới. 1.2.2. Tình hình sản xuất cà chua ở Việt Nam Ở nước ta, cà chua được trồng trên 100 năm nay, diện tích trồng cà chua hàng năm biến động 12.000 13.000 ha. Theo thống kê sơ bộ năm 2005 thì diện tích trồng cà chua cả nước là 23.354 ha tăng 3,34 lần so với năm 2000 (6967 ha), với năng suất trung bình đạt 198 tạ/ha. Sản lượng đạt 462,435 tấn. Năng suất cà chua ở nước ta nói chung còn thấp, chỉ khoảng 6065% so với năng suất bình quân của thế giới. Các vùng trồng cà chua lớn nhất ở nước ta là : Hải Dương, Nam Định, Bắc Giang, Lâm Đồng… đây là những vùng trồng cà chua đạt năng suất cao nhất cả nước ( năng suất ≥ 200 tạ/ha). Bảng 2.3. Diện tích, năng suất và sản lượng cà chua giai đoạn 20002005 Năm Diện tích Năng Suất Sản lượng (1000 ha) (tạ/ha) (1000 tấn) 13
2000 6,967 196,3 136,734 2001 11,492 156,4 179,755 2002 18,868 165,5 312,178 2003 21,628 164,1 354,846 2004 24,644 172,1 424,126 2005 23,354 198,0 462,435 Nguồn: Trích số liệu của tổng cục thống kê 2006 Ở nước ta, cây cà chua sinh trưởng và phát triển tốt nhất vào vụ đông, mặc dù trong những năm gần đây có nhiều cố gắng trong công tác chọn giống và công nghệ nhưng vụ đông vẫn là vụ chính cho sản lượng và chất lượng cao nhất. Trong cả nước có khoảng 22 giống cà chua chủ lực trong đó có 10 giống được sử dụng nhiều nhất với tổng diện tích 6253 ha tương đương với 55% diện tích cả nước đứng đầu là giống M383 sau đó đến giống VL200, Tn002, Cà chua Mỹ, cà chua balan, Red crow, T42, VI2910 và giống Trang Nông. 1.3. Khái quát về các nghiên cứu sử dụng đột biến trong chọn tạo giống cây trồng 1.3.1. Ý nghĩa của đột biến trong công tác chọn tạo giống cây trồng Chọn tạo giống cây trồng là một ngành khoa học cải tiến di truyền của thực vật vì lợi ích của loài người [32]. Để tạo ra nguồn biến dị mới với các tính trạng mong muốn các nhà chọn tạo giống phải áp dụng nhiều biện pháp khác nhau như chọn lọc, lai giống, tạo đột biến, gây đa bội thể 14
và gần đây nhất là áp dụng công nghệ sinh học trong chọn giống. Chọn lọc là phương pháp cơ bản của chọn giống. Tuy nhiên, phương pháp chọn lọc chỉ đưa lại kết quả khi quần thể ban đầu đa dạng về kiểu gen. Kết quả của các phương pháp chọn lọc chỉ là thừa hưởng những kho tàng biến dị có sẵn trong tự nhiên chứ không phải là tạo ra được những biến dị mới. Bằng các biện pháp lai tạo và gây đa bội thể thực nghiệm người ta đã làm phong phú thêm nguồn biến dị trong tự nhiên. Một hiệu ứng đặc biệt nhận được trong lai giống là ưu thế lai biểu hiện ở thế hệ F1. Tuy nhiên ở cây trồng do đặc điểm cấu trúc hoa và hệ thống sinh sản của chúng gây cản trở cho việc áp dụng tạo giống ưu thế lai (bất hợp lai, F1 không có khả năng sống, F1 bất dục, sự suy nhược của con lai). Bằng các phương pháp này ta cũng chỉ mới sử dụng một số ít gen trong hệ thống gen của một cơ thể thực vật quá trình chọn lọc và lai tạo cũng phải trải qua một khoảng thời gian khá dài. Đột biến là cơ sở của tiến hoá hình thành nên các giống cây trồng, vật nuôi mới. Đột biến là một con đường quan trọng dẫn đến việc làm tăng sự biến dị trong cơ thể sinh vật, nó là sự biến đổi bất thường về vật chất di truyền dẫn đến sự biến đổi một hoặc nhiều tính trạng và có thể được di truyền cho thế hệ sau. Đột biến gồm hai loại đột biến tự phát và đột biến nhân tạo. Đột biến tự phát là dạng đột biến xảy ra một cách ngẫu nhiên trong tự nhiên do những biến đổi thời tiết, khí hậu do những thay đổi về yếu tố địa lý 15
v.v… Trong tự nhiên những biến đổi đột ngột do những biến động thời tiết khí hậu, địa lý làm cho sinh vật mới thích nghi hơn với điều kiện sống qua quá trình tiến hoá hàng trăm, thậm trí hàng nghìn năm những giống cây trồng, vật nuôi mới này hình thành những đặc tính khác biệt so với giống cũ. Đột biến tự phát xảy ra trong tự nhiện có tần số rất thấp thường 109 nghĩa là khoảng 10 triệu cá thể mới xuất hiện một cá thể bị đột biến và không phải đột biến nào cũng có ý nghĩa cho con người. Đột biến nhân tạo: là đột biến xảy ra do các tác nhân (vật lý hoặc hoá học) gây đột biến được thực hiện bởi con người vì mục đích chọn giống. Nhờ việc sử dụng của các tác nhân gây đột biến người ta có thể tạo được các giống mới trong một khoảng thời gian ngắn và trong một phạm vi thí nghiệm hẹp. Gây đột biến là một phương pháp để bổ sung nguồn gen trong chọn giống cây trồng. Sau những năm 1995, cùng với sự bùng nổ thông tin của công nghệ thông tin đã có sự tăng cường trao đổi thông tin giữa các nhà khoa học về việc không chỉ gây đột biến để cải tiến giống cây trồng mà còn ứng dụng gây đột biến để khám phá gen kiểm soát những tính trạng quan trọng và tăng sự hiểu biết chức năng và cơ chế hoạt động của chúng, 16
mà còn giải mã bản chất sinh học của những biến đổi trong chuỗi ADN, sự tự sửa chữa các đột biến. Những nghiên cứu về đột biến đã có những thay đổi về lượng và cả về chất, nghiên cứu tìm hiểu tận gốc những thay đổi trong chuỗi ADN do những tác nhân đột biến gây nên. Thậm trí người ta có thể nghĩ đến gây bất hoạt gen nhờ đột biến nhằm ức chế hoặc tạo ra một loại sản phẩm protein mới dẫn đến thay đổi chất lượng của cây trồng. 1.3.2. Cơ sở di truyền của đột biến Đột biến có thể xảy ra ở bất kỳ lúc nào và ở bất kỳ tế bào nào. Các tác động lên kiểu hình có thể là những biến đổi nhỏ nhất mà chỉ có thể phát hiện bằng các phương pháp phân tích phân tử đến những biến đổi lớn dẫn đến thay đổi những quá trình cơ bản của tế bào dẫn đến có thể làm chết tế bào hoặc cả cơ thể. Đột biến có thể phân chia theo nhiều cách khác nhau. Ở các sinh vật đa bào, sự phân biệt quan trọng dựa trên các dạng tế bào đầu tiên xảy ra đột biến. Những đột biến xuất hiện ở các tế bào hình thành giao tử được gọi là đột biến gen nhân (germ line mutations). Những đột biến xảy ra ở tế bào sinh dưỡng được gọi là đột biến tế bào sinh dưỡng (somatic mutations) hay còn gọi là đột biến soma. Đột biến soma có thể tạo ra một sinh vật vừa có các mô tế bào đột biến vừa có các mô bình thường. Hiện tượng này còn được gọi là đột biến khảm. Đột biến tế bào sinh dưỡng có thể không được di truyền cho thế hệ sau. Đối với cây nhân giống vô tính thì tuỳ vào vị trí và phần trăm của mô sinh dưỡng người ta có thể phân lập được hai hoặc ba loại đột biến khác nhau. Ở các loài thực vật bậc cao các đột biến soma có thể được nhân giống vô tính do đó 17
vẫn có thể giữ lại được các đột biến này [34]. Dựa vào sự thay đổi cấu trúc di truyền đột biến được phân thành hai loại đó là đột biến nhiễm sắc thể và đột biến gen. Đột biến nhiễm sắc thể (NST) là sự biến đổi về cấu trúc hoặc số lượng nhiễm sắc thể. Đột biến có thể xảy ra ở một cặp NST nào đó hoặc ở toàn bộ các cặp NST. Loại đột biến này phát sinh có thể là do các tác nhân của ngoại cảnh (do chất phóng xạ, hoá chất, sự biến đổi đột ngột của nhiệt độ) hoặc những rối loạn của quá trình trao đổi chất của nội bào dẫn đến sự phân ly không bình thường của các cặp NST. Trường hợp NST trong tế bào sinh dưỡng tăng lên thành bội số của n (nhiều hơn 2n) được gọi chung là thể đa bội. Tế bào đa bội có lượng ADN tăng gấp bội, quá trình tổng hợp các chất hữu cơ diễn ra mạnh mẽ do đó kích thước tế bào lớn hơn. Cơ thể đa bội thường có cơ quan sinh dưỡng to, phát triển khoẻ, chống chịu tốt. Hiện tượng đa bội khá phổ biến ở thực vật và đã được ứng dụng hiệu quả trong chọn giống cây trồng. Đột biến NST có các dạng mất đoạn, đảo đoạn, lặp đoạn, chuyển đoạn. Đột biến gen là những biến đổi về số lượng, thành phần, trật tự các cặp nucleotide xảy ra tại một điểm nào đó trên phân tử ADN. Sự biến đổi về cấu trúc phân tử của gen có thể dẫn tới biến đổi cấu trúc của một loại protein do gen đó mã hoá và cuối cùng dẫn đến biến đổi ở kiểu hình. Ngoài những đột biến gen xảy ra trên ADN của NST còn xảy ra đột biến ADN của các bào quan như ty thể, lạp thể có thể gây ra những biến dị di truyền theo dòng mẹ. 1.3.3. Các tác nhân gây đột biến 18
Bằng chứng về các tác nhân ngoại cảnh có thể làm tăng tỉ lệ đột biến được công bố vào năm 1927 bởi Hermann Muller, ông đã chứng minh tia X là tác nhân gây đột biến ở ruồi giấm. Kể từ đó một số lượng lớn các tác nhân gây đột biến được khám phá và được phân thành hai loại đó là tác nhân vật lý và tác nhân hoá học [35]. Ngay từ những năm 1940 Auerbach và Robson dã khẳng định một số hoá chất có khả năng gây đột biến. Trước những năm 60 của thế kỉ XX trên thế giới người ta mới sử dụng các tác nhân gây đột biến hoá học. Ngày nay có đến hàng chục nhóm chất hoá học hoặc hàng ngàn dẫn xuất của chúng có khả năng gây đột biến nhưng nếu xét về phương thức tác dụng chúng có thể được chia thành năm nhóm như sau: Các chất kìm hãm sự tổng hợp của các bazơ nitơ, tham gia vào thành phần axit nucleic dẫn đến việc hình thành các gốc không bình thường gây ra sự đột biến. Các chất này gồm có: coephin, ethyluretan, theobromin… Các chất đồng đẳng của bazơ nitơ như 5 bromuracil (đồng đẳng của thymin), 2aminopurin (đồng đẳng của adenin) tham gia vào thành phần DNA cũng có thể gây đột biến. Các hợp chất alkyl hoá như EI (ethyleneimin), EMS (ethylmethanesulfonate). Các hợp chất này có khả năng alkyl hoá các nhóm phosphate trong phân tử ADN cũng như các bazơ purin hay pyrimidine dẫn đến sự đột biến. Các chất ôxi hoá khử và các gốc tự do như peroxyt, HNO2, aldehyt… gây đột biến liên quan đến sự dezamin hoá các gốc purin và pyrimidine của ADN và ARN. 19
Các chất nhuộm màu thuộc nhóm acridin, các chất này khi phản ứng với ADN thì tạo thành một phức hệ làm rối loạn sự tái sinh bình thường của ADN. Tác nhân gây đột biến vật lý là những dạng tia phóng xạ. Muller và Xapeghin là những người đầu tiên đưa ra khả năng sử dụng tia phóng xạ để nâng cao tần số đột biến ở cây trồng. Sau đó phương pháp chọn giống mới này đã thu hút được sự chú ý của nhiều người đặc biệt là các nhà di truyền chọn giống của Liên Xô, Đức, Nhật, Thuỵ Điển…Có rất nhiều dạng tia phóng xạ và nguồn phóng xạ cho các nhà chọn gống lựa chọn. Bên cạnh tia cực tím một số các tia phóng xạ ion hoá như tia X, tia gamma, hạt alpha, beta, hạt proton, neutron, ion beam có thể giải phóng nguồn năng lượng dưới dạng hạt hoặc sóng điện từ có thể gây ra tổn thương sinh học cho tế bào. Những tổn thương sinh học do phóng xạ gây ra được hình thành qua hai con đường: Phóng xạ tác động trực tiếp xảy ra ở phân tử ADN và gây ra đột biến gen. Phóng xạ tác động gián tiếp, nó được các các phân tử khác trong tế bào hấp thụ, sau đó các năng lượng này hoặc các sản phẩm của nó được truyền vào ADN dẫn đến biến đổi về cấu trúc ADN. Tia phóng xạ có tác dụng khác nhau đến thực vật tuỳ thuộc vào kiểu phóng xạ, liều lượng phóng xạ, đặc tính di truyền của giống, trạng thái sinh lý sinh hoá của bộ phận được xử lý và một yếu tố của môi trường bên ngoài [35]. 1.4. Ứng dụng của phương pháp gây đột biến trong nghiên cứu chọn giống 1.4.1. Những nghiên cứu trên thế giới 20