1.3.3.1. Hàm lượng amylose
Hàm lượng amylose cao có tính trội hoàn toàn so với hàm lượng amylose thấp, nó do một gen điều khiển kèm theo một số gen phụ có tính chất cải tiến Seetharaman (1959), Kahlon (1965), Ghost và Govindaswamy (1972), Hue và Park (1976) [16].
Các nghiên cứu của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam còn cho thấy: giống lúa có năng suất cao thường có hàm lượng amylose cao trên 25%, chất lượng nấu nướng giảm, cơm cứng. Trong khi đó, các giống năng suất thấp thì hàm lượng amylose trong phạm vi thích hợp là 20-25%, do đó chất lượng thơm, ngon, dẻo.
Hàm lượng amylose có thể bị biến đổi do điều kiện môi trường nhất là sự thay đổi của nhiệt độ trong thời gian lúa vào chắc, tuy nhiên sự dao động này không quá 6% Julinano (1990) [19].
1.3.3.2. Hàm lượng protein
Hàm lượng protein được điều khiển bởi đa gen, chịu ảnh hưởng bởi môi trường khá mạnh mẽ, Juliano (1990). Hàm lượng protein thấp thể hiện tính trội hơn hàm lượng protein cao, Erickson (1969), Mohanty và Reddy (1972), HilleRisLamber và cộng sự (1973), Chang và Lin (1974), IRRI (1977).
Di truyền tính trạng hàm lượng protein trong hạt gạo do đa gen điều khiển có hệ số di truyền khá thấp, có thể bị ảnh hưởng mạnh mẽ tương tác giữa kiểu gen và môi trường, Chang và Somrith (1979). Giống có hàm lượng protein cao thường liên kết với đặc tính thời gian sinh trưởng ngắn và trọng lượng hạt nhẹ, HilleRisLamber và cộng sự (1973), Vijayachandra và Mohanty (1977).
1.3.3.3. Độ hóa hồ
Độ hoá hồ biểu thị nhiệt độ cần thiết để làm chín tinh bột hoàn toàn. Nhiệt độ hóa hồ có thể liên hệ một phần với lượng amylose của tinh bột, là yếu tố chính quyết định phẩm chất gạo khi đã nấu. Nhiệt độ hóa hồ tương quan thuận với thời gian để nấu cơm chín [12].
Quan điểm về sự di truyền tính trạng nhiệt độ hoá hồ chưa có sự thống nhất. Có tác giả cho rằng: độ hoá hồ do một gen đơn điều khiển. IRRI (1977), Mekenjie và Rutger (1983). Theo Heda và Reddy (1980), độ hoá hồ được xác định bằng nhiều gen. Heu và Park (1979), độ hoá hồ cao là trội không hoàn toàn so với độ hoá hồ thấp [19].
Độ hoá hồ còn là tính trạng rất dễ thay đổi bởi môi trường, đặc biệt là sự thay đổi nhiệt độ khi lúa trổ đến vào chắc hạt, Heu và cộng sự (1976) [16, tr148]. Các giống lúa mùa đặc biệt là giống lúa Tám ở nước ta đều có độ hoá hồ thấp hoặc trung bình, nhiều giống lúa chiêm và các giống lúa mới có độ hoá hồ cao, Lê Doãn Liên (1995) [13].
1.3.3.4. Độ bền thể gel
Theo Tang và cộng sự (1991), độ bền thể gel được điều khiển bởi đơn gen, trong một locus có dãy alen điều khiển độ bền thể gel, ký hiệu geca điều khiển gel trung bình, gecbđiều khiển gel cứng. Việc chọn lọc các dòng có độ bền thể gel như ý muốn nên được tiến hành ở thế hệ đầu tiên.
1.4. Tác nhân gây đột biến
1.4.1. Tác nhân phóng xạ gây đột biến
Là một tác nhân vật lý gây đột biến quan trọng được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhất. Dạng phóng xạ có khả năng gây đột biến ở sinh vật là những dạng phóng xạ không gây ion hóa hoặc gây ion hóa.
1.4.1.1. Nhóm phóng xạ không gây ion hóa
Đại diện là tia tử ngoại, có năng lượng thấp chỉ gây kích thích phân tử hấp thu nó, không có khả năng xuyên sâu → chỉ sử dụng gây đột biến ở vi sinh vật và hạt phấn.
1.4.1.2. Nhóm phóng xạ gây ion hóa
Phóng xạ hạt là những dòng nguyên tử và hạt sơ cấp chuyển động với tốc độ thay đổi, được đặc trưng bởi điện tích và khối lượng.
Năng lượng: Ek = 2
2
mv
(eV) (1eV = năng lượng 1 điện tử (e) khi qua điện trường có thế hiệu 1V).
Các dạng phóng xạ hạt: 3nhóm
- Nhóm hạt sơ cấp nhẹ, những dòng điện tử, pozitron.
- Nhóm hạt nặng mang điện tích: proton (hạt cơ bản bền vững, m = 1836e, điện tích e+), detron (nhân của đồng vị phóng xạ H2), α (nhân của He – 2He4gồm 2 proton, 2 neutron, điện tích 2e+.
- Nhóm hạt trung bình: neutron.
Phóng xạ điện từ là sóng điện phát ra trong không gian ở dạng dao động điện từ và từ trường như tia X, tia gamma. Các sóng điện từ đặc trưng bằng bước sóng λ; C = λ T (T: tần số dao động, C: tốc độ). Trước đây người ta thường dùng Rn và Ra làm nguồn cho tia gamma, hiện nay thường dùng Co60
và Cs137. Tia gamma có khả năng xuyên sâu cao, không kìm hãm quá trình sinh sản của cây, cho ra tỉ lệ đột biến có lợi cao. Hiệu quả tác dụng của tia gamma có thể thay đổi rất dáng kể dưới ảnh hưởng của các nhân tố nên ngoài như hàm lượng oxi, nhiệt độ và đặc tính sinh lý, sinh hóa của tế bào[21]. Năng lượng của tia gamma tùy thuộc vào tần số bước sóng, được biểu thị bằng công thức:
E = h.T = hc/ λ
Trong đó h: hằng số plăng = 6,62.10-2 T: tần số sóng
λ: bước sóng
Các đơn vị liều lượng:
- Liều lượng phóng xạ xác định bằng cách đo khả năng ion hóa của phóng xạ trong không khí, đơn vị là rơnghen (R – khối lượng phóng xạ tạo ra trong 1cm3không khí khô (0.001293g) ở 00
C; 760mm Hg). - Năng lượng hấp thu đo bằng rad, 1rad = 100erg/g.
- Đơn vị đo hoạt tính phóng xạ là curi, 1curi là khối lượng của chất phóng xạ mà số phân hủy của nó trong 1 giây bằng 3,7.1010; 1curi tương ứng với lượng phóng xạ 1g radi.
1.4.2. Tác dụng của tia gamma nguồn Co60lên vật chất di truyền truyền
1.4.2.1. Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ phân tử (tác động lên phân tử ADN) độ phân tử (tác động lên phân tử ADN)
Khi phóng xạ tia gamma vào dung dịch ADN sẽ gây ra những biến đổi chủ yếu sau:
- Gây đứt đơn: đứt 1 mạch của phân tử ADN làm ADN bị biến dạng, tạo cuộn, giảm thể tích phân tử.
- Gây đứt kép: phân tử ADN bị giảm chiều dài, giảm cả độ nhớt của dung dịch.
- Tạo cầu giữa các phân tử: làm tăng khối lượng phân tử, tăng độ nhớt, giảm độ hòa tan và tạo ra các búi không tan.
- Tạo các phân tử phân nhánh: do sự gắn một số đoạn của các phân tử bị đứt vào phân tử khác còn nguyên vẹn.
- Tạo liên kết protein – ADN, làm cho protein bị biến tính hay liên kết giữa bazơ pirimidin biến tính với các axit amin.
- Phá hủy cấu trúc không gian của ADN (biến tính ADN) - Gây hiện tượng nhị trùng phân timin.
- Phá hủy gốc dị vòng Nitơ. - Hydrat hóa các bazơ Nitơ.
- Gây ra hiện tương hỗ biến: tia gamma làm thay đổi vị trí của nguyên tử hidro, dẫn tới sự hình thành gốc latin hay imin, hậu quả là sự sao chép sai của ADN, tạo ADN đột biến ở các thế hệ sau.
1.4.2.2. Tác dụng của tia gamma lên vật chất di truyền ở cấp độ tế bào độ tế bào
Ở cấp độ tế bào, tia gamma (nguồn Co60) có thể làm biến đổi cấu trúc NST và hủy hoại quá trình phân chia tế bào (nguyên phân và giảm phân)
* Tác động của tia gamma (nguồn Co60) lên cấu trúc NST: theo Xvenson [3], bức xạ ion hóa có thể gây nên sự phân đoạn của NST. Có 2 kiểu phân đoạn NST là:
- Loại đứt thật: đứt rời thành từng khúc.
- Loại tiềm tàng: chưa đứt rời mà ở trạng thái tiềm tàng, có thể chuyển sang đột biến sau một thời gian nhất định hoặc phục hồi lại trạng thái ban đầu.
Crogodin và Lutxomic [1] lại cho rằng: phóng xạ ion hóa có thể hủy hoại NST một cách trực tiếp hoặc kéo dài.
Nếu có các điều kiện tương ứng hoặc đủ về thời gian thì sự hủy hoại tiềm tàng có thể trở thành hiện thực và đột biến bắt đầu xuất hiện trong cấu trúc NST.
Nói chung khi xử lý các tác nhân phóng xạ ion hóa ở liều lượng trung bình cho tới liều lượng không quá ngưỡng chịu đựng của tế bào, thì ở kì sau của nguyên phân thấy xuất hiện cấu, đoạn, vòng khuyên,…
* Tác động của tia gamma (nguồn Co60) lên quá trình phân chia tế bào: Đối với nguyên phân, tia gamma có thể gây nên các hiệu quả sau:
- Kìm hãm hay dừng tạm thời quá trình nguyên phân (kéo dài một pha nào đó trong chu kì tế bào)
- Làm dừng hoàn toàn quá trình nguyên phân nhưng không gây chết tế bào mà làm mất khả năng phân chia tế bào.
- Làm tăng độ nhớt và kết dính NST dẫn đến sự chết tế bào.
- Gây hiện tượng “hậu kỳ đa cực” hậu quả của nó là gây hiện tượng sai hình NST một cách phức tạp (tạo cầu, đoạn, vòng,…)
- Đôi khi bức xạ liều lượng thấp lại kích thích sự phân bào.
Đối với giảm phân, năm 1958, khi dùng tia X gây bức xạ ion hóa ở Longiflorum , Mistra đã thu được kết quả như sau:
- Gây sai hình NST ở diplonem: các bivalent có thể kết dính với nhau tạo thành vòng NST lớn, phần lớn các vòng này đều do chuyển đoạn phức tạp tạo nên.
- Gây sai hình NST ở hậu kỳ I hoặc II. Các kiểu sai hình thường thấy trong giảm phân là: đứt NST, tạo 1 hoặc 2 đoạn NST và cầu NST; đứt cromatid, tạo ra sự lặp đoạn; tạo cầu cromatid, vòng và 2 đoạn do chuyển đoạn; đứt cromatid, tạo nên cầu cromatid, vòng cromatid ở trạng thái kép; tạo NST có 2 tâm và 2 đoạn, hình thành các đoạn riêng rẽ và cầu cromatid ở kỳ sau I
1.4.2.3. Tác dụng của phóng xạ đối với thực vật
Theo Kaidin và Linser [1] xử lý thực vật bằng tác nhân phóng xạ có thể tiến hành theo các phương pháp sau:
- Chiếu xạ hạt khô hoặc ướt.
- Ngâm hạt trong dung dịch đồng vị phóng xạ. - Trồng cây trong đất có bón đồng vị phóng xạ - Đưa chất đồng vị phóng xạ vào cây.
- Phóng xạ thực vật trong quá trình sinh trưởng, phát triển.
Ngày nay người ta còn chiếu xạ các cơ quan, bộ phận riêng rẽ của cây như: chồi, nụ hoa, bao phấn, bầu nhụy, hoặc xử lý cây đang trồng trong từng thời kỳ bằng trường gamma hoặc thiết bị chiếu xạ chuyên dụng của các trung tâm chiếu xạ.
Hiệu quả của chiếu xạ thực vật ở thế hệ đầu thể hiện ở những biến đổi dương tính, đó là những biến đổi về cấu trúc, hình thái, sinh lý, sinh trưởng, sinh sản và gây chết. Người ta phân biệt tác dụng ngay sau khi xử lý phóng xạ (hiệu quả tức thời) với những biến đổi ngay sau khi xử lý phóng xạ (hiệu quả chậm hay hiệu quả kéo dài)
Về hiệu quả tức thời có thể kể ra một số hình thức chủ yếu sau đây: - Biến đổi hóa sinh và lý hóa sinh
- Biến đổi sinh lý giới hạn của một số cấu trúc trong vật liệu bị chiếu xạ. - Biến đổi vật chất di truyền.
Về hiệu quả chậm, chiếu xạ gây ra các biến đổi nêu trên nhưng diễn ra suốt quá trình sinh trưởng và phát triển của thực vật.
Đối với các loài thực vật, liều lượng thấp có tác dụng kích thích sinh trưởng, còn liều lượng cao quá giới hạn chịu đựng sẽ gây chết tế bào và cơ thể. Trên lúa, khi xử lý hạt khô bằng tia gamma ở các liều lượng 5kR, 10kR nhiều khi kích thích quá trình sinh trưởng và phát triển (Phạm Quang Lộc – Luận án PTS 1981).
Cơ chế của sự kích thích sinh trưởng do xử lý phóng xã lên hạt khô được Kuzin A.M (1963) [1], [15] giải thích như sau:
- Ở liều lượng thấp, bức xạ gây nên sự hình thành các nhóm gốc hữu cơ tự do ở những khu vực nhất định trong tế bào (những khu vực mẫn cảm hơn so với bức xạ). Các gốc tự do này có thể tồn tại một thời gian nhất định; thường là khá dài trong điều kiện yếm khí, thiếu nước và không bị tác dụng trong điều kiện nhiệt độ tối thích. Theo tác giả, có thể là gốc tự do được hình thành trong cấu trúc của lipoprotein. Để hạt nảy mầm cần có đủ các điều kiện nhiệt độ, nước và không khí (oxy). Một lượng nước và oxy sẽ thấm vào màng hạt và tác dụng với các polyme tự do tạo nên một dây chuyền phản ứng như sau:
R· + O2 → ROO∙
ROO∙ + RH → ROOH + R∙ R· + O2 → ROO
- Ở đây sản phẩm tạo ra chính là chất tham gia và thúc đẩy phản ứng mới tạo điều iện cho sự phát sinh các phản ứng dây chuyền oxi hóa trong cấu trúc lipoprotein tiếp theo. Kết quả dẫn đến phá hủy màng, nơi lưu trữ nhiều loại protein cần thiết cho sự nảy mầm của hạt và sự sinh trưởng của
cây non: amilaza; proteaza; peroxydaza… những enzim này được giải phóng sẽ thúc đẩy các phản ứng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển [1].
Tác dụng của phóng xạ vào hạt có thể gây hiệu quả ở mọi giai đoạn trong quá trình phát triển cá thể:
- Tác dụng trực tiếp đến chiều hướng và tốc độ các phản ứng sinh hóa, chi phối sự nảy mầm.
- Tác dụng gây chết phôi mầm, đình chỉ ngay quá trình nguyên phân đầu tiên hoặc làm ngừng sự sinh trưởng của phôi.
- Tác dụng xa hơn có thể ở những cấp độ khác nhau:
• Kìm hãm một pha nào đó của quá trình nguyên phân, làm suy giảm sức sống của phôi mầm, lá mầm, rễ mầm, cuối cùng là gây chết ở ngay thời kỳ mạ, hoặc gây chết muộn hơn (thời kỳ đẻ nhánh, trổ - chín) (Alice Sawvulescu, Becerescu 1970) [1].
• Không gây chết ở thời kỳ muộn mà gây biến đổi về hình thái, sinh trưởng và phát triển
1.4.3. Một số nhân tố ảnh hưởng tới hiệu quả gây đột biến của tia gamma
1.4.3.1. Kiểu gen
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng: các locus khác nhau có khả năng đột biến khác nhau. Có alen không đột biến trong một thời gian dài, trong khi alen khác có tần số đột biến cao.
Khả năng phát sinh đột biến cảm ứng còn tùy thuộc mức bội thể, thực vật thuộc cùng một loài nhưng có mức bội thể khác nhau thì cảm ứng khác nhau với cùng một loại tác nhân phóng xạ.
Khi xử lý phóng xạ lên các giống lúa khác nhau Yamaguchi và Andro (1959) thấy rằng: dạng tam bội (3n) có tinh bền vững hơn dạng lưỡng bội (2n) về 2 chỉ tiêu: chiều cao cây và số bông trên khóm. Volodin (1975) giải thích: trong tế bào đa bội có một hệ thống sửa chữa các cấu trúc bị hư hỏng [18].
1.4.3.2. Độ ẩm của hạt
Độ ẩm của hạt có liên quan chặt chẽ tới sự phát sinh hàng loạt các biến dị và đột biến. Khi chiếu xạ bằng tia gamma lên hạt lúa khô và ướt, Trần Duy Quý và cộng sự đã kết luận rằng: tần số sai hình NST, đột biến diệp lục và các đột biến nhìn thấy ở M2 trong trường hợp xử lý hạt ướt là cao hơn nhiều so với việc xử lý hạt khô.
1.4.3.3. Các giai đoạn khác nhau trong quá trình phát triển cá thể cá thể
Theo Trần Duy Quý [20], hạt non mẫn cảm với các tác nhân đột biến hơn hạt già. Tần số và phổ đột biến cũng khác nhau ở các hạt có độ chín khác nhau (Snudin, Pastusenco, Sangin, Bederopxki-1965) [16] [17].
Các nghiên cứu của Yamaguchi (1963), Phan Phải (1971), Sakharôp và Ph.Ondreev (1972-1974, 1976), Somura (1979), Secbacôp (1981-1982) đã xác định được: giai đoạn giao tử có độ cảm ứng với các tác nhân gây đột biến cao hơn ở giai đoạn hợp tử và giai đoạn tiền phôi, còn giai đoạn nhú mầm và giai đoạn mạ thì mẫn cảm với phóng xạ hơn hạt khô và cây trưởng thành. [1].
Như vậy ở giai đoạn càng sớm của quá trình phát triển cá thể thì độ cảm ứng với các tác nhân gây đột biến càng cao.
1.4.3.4. Các pha khác nhau của chu kỳ tế bào
Sự biến đổi hình thái, cấu trúc của NST khác nhau trong các pha khác nhau của quá trình phân bào nên mức độ cảm ứng của từng kiểu hình thái, cấu trúc đó với phóng xạ cũng rất khác nhau.
Nhiều tác giả cho rằng: hiệu quả di truyền sẽ khác nhau tùy thuộc sự chiếu xạ vào pha nào của chu kỳ tế bào. Chiếu xạ vào pha G1 sẽ gây sai hình NST. Chiếu xạ vào pha S sẽ gây sai hình NST hoặc cromatid (vì một số NST đã nhân