Phần 2 Tổng quan tài liệu
2.3. Cơ sở khoa học phát sinh đột biến phóng xạ
2.3.3. Cơ chế gây đột biến của các tia phóng xạ
Cơ chế gây đột biến của tia phóng xạ có ba giả thuyết:
2.3.3.1. Thuyết bia
Các cơ quan tử hay nhiễm sắc thể (NST) trong tế bào được xem như là đơn vị cảm ứng (bia). Khi các lượng tử hay các hạt cơ bản va chạm vào các đơn vị cảm ứng sẽ gây ra biến đổi → đột biến. Thuyết này giải thích chưa thỏa đáng vì
một số lồi có kích thước NST lớn nhưng lại có độ cảm ứng phóng xạ thấp hơn so với lồi có NST nhỏ.
2.3.3.2. Thuyết các gốc tự do
Theo một số tác giả khơng chỉ có các cơ quan tử, các NST trong tế bào mới là bia mà phải kể tới các phân tử nước vì nước chiếm tỉ lệ cao trong tế bào. Khi chiếu xạ vào cơ thể hay tế bào, nước hấp thu năng lượng dễ bị mất đi 1e- → ion (+): H2O → H2O+ + 1e-. Điện tử giải phóng được phân tử nước khác hấp thu → ion (-): H2O + 1e-→ H2O-. H2O+, H2O- không bền, phân hủy nhanh chóng tạo ra các gốc tự do H* và OH* cùng các ion bền vững H+ và OH-. H2O+→ H+
+ OH*; H2O-→ H*+ OH-. Các gốc tự do H* và OH* phối hợp với oxi trong tế bào hoặc kết hợp với nhau tạo các phân tử peroxyd vô cơ: H*+ O2→ HO2*; HO2*+ H+→
H2O2; OH* + OH* → H2O2. Ngoài ra, các gốc tự do còn kết hợp với các chất
hữu cơ trong tế bào tạo nên peroxyd hữu cơ: RH + OH → R* + H2O; R*+ O2→ ROO*. Các peroxyd tác động lên DNA theo nhiều phương thức: làm mất gốc NH2 của gốc dị vòng chứa nitơ; làm mất nguyên tử H2; làm đứt liên kết glycoside giữa đường và bazơ; oxi hóa đường pentose; đứt chuỗi nucleotide và tăng phosphate vô cơ; tác động trực tiếp lên NST hay môi trường xung quanh NST gây ra đột biến về số lượng, cấu trúc NST.
2.3.3.3. Thuyết hiện đại
Trong cơ thể tồn tại các hợp chất hữu cơ ở trạng thái lỏng có nồng độ khác nhau tùy thuộc vào trạng thái sinh lý của cơ thể. Nếu nồng độ chất cao thì sự va chạm của lượng tử vào các phân tử nhiều hơn, hiệu quả tác động bia nhiều hơn. Nếu nồng độ chất thấp thì các lượng tử của tia phóng xạ tác động lên phân tử nước theo thuyết tự do → thuyết hiện đại dung hòa hai thuyết trên. Tần số đột biến phụ thuộc vào liều lượng phóng xạ, nhưng chỉ đến một mức độ nhất định thì liều lượng gần như khơng có tác dụng nữa. Đặc biệt là hiệu quả tác dụng của tia tử ngoại phụ thuộc rất lớn vào độ dài của bước sóng, bước sóng trong khoảng 2500 – 2800Å có hiệu quả tác dụng lớn nhất.
2.3.3.4. Cơ chế tác động tia gamma
Tia gamma thuộc nhóm bức xạ sóng điện từ, các tia phóng xạ thuộc nhóm này có độ dài bước sóng ngắn, mang năng lượng lớn, có thể xuyên sâu vào các mô sống nên được dùng để chiếu xạ hạt và các bộ phận khác của cây.
Năng lượng gamma tùy thuộc vào tần xuất sóng và được biểu thị bằng
công thức: E = h.T Hay E =h.c/
Trong đó: T: Tần số sóng; h = 6,62. 10-27erg/s (hằng số plăng) : Bước sóng; c: Tốc độ ánh sáng
Nguồn phóng xạ thường dùng để tạo bức xạ gamma là Coban 60 (Co60), liều phóng xạ được đo bằng đơn vị rơntghen (r) hoặc gray (1gray = 100 rơnghen) và được tính bằng số ngun tử ion hóa trên một đơn vị thể tích. Trong thực tế, 1 rơntghen (r) được tính bằng lượng phóng xạ ion hóa tạo ra 2,038 x 10-9
cặp ion/1cm3 khí ở 0oC và áp suất 760 mmHg. Đặc biệt, liều chiếu xạ có sự tích lũy theo thời gian, nghĩa là: chiếu xạ xuất liều thấp trong thời gian dài có thể tương đương với chiếu xạ xuất liều cao trong thời gian ngắn (xuất liều là liều chiếu xạ tính trên một đơn vị thời gian – thường là giây hoăc phút, do đó xuất liều chiếu xạ = liều chiếu xạ/ thời gian chiếu xạ) (Vũ Văn Liết & cs., 2013).
Như vậy, chiếu xạ tia gamma (Co60
) vào vật mẫu ở liều xạ nhất định có thể chiếu với xuất liều lớn trong thời gian ngắn hoặc xuất liều nhỏ trong thời gian dài. Mặc dù liều xạ tích lũy trong vật mẫu tương tự nhau nhưng trong một đơn vị thời gian lượng bức xạ tác động đến vật mẫu là khác nhau nên gây ra những tác động không giống nhau. Tùy mục đích và yêu cầu của việc chiếu xạ mà chọn hình thức chiếu phù hợp.
a. Tác động ở cấp độ phân tử
Chiếu xạ bằng tia gamma (Co60) lên dung dịch ADN gây những biến đổi đa dạng trên cấu trúc của vật chất di truyền ở cấp độ phân tử như: đứt, gãy ADN, phá hủy cấu trúc không gian của ADN, phá hủy gốc nhị vòng chứa Nitơ, gây hiện tượng nhị trùng phân timin hay hidrat hóa các bazơ nitơ…. Sau đó, các phân tử ADN này liên kết với nhau theo nhiều kiểu và tạo cấu trúc mới như: tạo cầu, phân tử phân nhánh, liên kết protein - ADN hoặc biến tính protein. Tia gamma có thể gây hiện tượng hỗ biến, làm thay đổi vị trí của nguyên tử hydro dẫn tới sự hình thành gốc lactin hay imin, gây ra sự sao chép sai của ADN, tạo ADN đột biến ở các thế hệ sau. Tia gamma có thể làm tăng hiện tượng hỗ biến lên hàng nghìn lần so với trong tự nhiên. Các nghiên cứu về tác động của tia gamma (Co60) đến sự biến đổi của ADN là sở phân tử của sự phát sinh các đột biến ở mức độ cơ thể. Có thể cho rằng: sự phát sinh các biến đổi trên cơ thể là do các
tổn thương trực tiếp hay gián tiếp xảy ra ở gen hay nhóm gen quy định tính trạng của cơ thể (Lagoda, 2012).
b. Tác động ở cấp độ tế bào
Theo Kumar (2013), khi tác động đến tế bào, tia gamma làm biến đổi cấu trúc NST và hủy hoại quá trình phân chia của tế bào. Bức xạ ion hóa có thể gây đứt đoạn hoặc tổn thương NST ở các mức độ khác nhau. Những tổn thương này sẽ chuyển thành đột biến thực sự hoặc phục hồi về trạng thái ban đầu. Tần suất sai hình NST phụ thuộc vào sự phục hồi những biến đổi tiềm tàng hay hiện thực hóa các biến đổi đó thành đột biến thực sự theo các giai đoạn sau:
Giai đoạn 1: xảy ra các phản ứng hóa phóng xạ, tạo các cặp ion hóa trong mơi trường và kích động NST.
Giai đoạn 2: trạng thái không ổn định của NST với những biến đổi tiềm tàng.
Giai đoạn 3: chuyển từ những biến đổi tiềm tàng thành các đột biến thực sự. Như vậy, dưới tác động của tia gamma (Co60), sợi NST có thể bị biến đổi theo nhiều kiểu khác nhau, những biến đổi trên NST là cơ sở cho sự phát sinh các đột biến ở mức độ cơ thể.
Theo Lagoda (2012), tế bào thực vật phản ứng rất nhanh với những tác động gây ra bởi phóng xạ. Hầu hết các tổn thương ADN gây ra bởi phóng xạ cần được sửa chữa trước khi tế bào phân chia. Những biến đổi lớn, nghiêm trọng có thể gây chết tế bào, trong khi những biến đổi nhỏ, ít nghiêm trọng có thể được sửa chữa, làm chậm sự phân chia của tế bào, tạo các tế bào bất thường và xuất hiện đột biến. Tia gamma có thể kìm hãm hoặc dừng q trình ngun phân nhưng khơng gây chết tế bào mà làm tăng độ nhớt dịch tế bào, tăng độ kết dính NST hoặc gây hiện tượng “hậu kỳ đa cực” dẫn đến sai hình NST một cách phức tạp. Đôi khi bức xạ liều thấp làm tăng quá trình phân bào. Các kiểu sai hình NST trong giảm phân thường thấy là: đứt NST, tạo 1 hoặc 2 đoạn NST và cầu NST; đứt crơmatit, tạo cầu, vịng crơmatit ở trạng thái kép hay lặp đoạn trên NST; tạo NST 2 tâm, hình thành các đoạn riêng rẽ và cầu crômatit ở kỳ sau I. Như vậy, tia gamma có thể dừng tạm thời hay hồn tồn q trình phân chia của tế bào, gây ra các sai hình trên NST thậm chí gây chết tế bào. Đây là cơ sở góp phần lý giải tại
sao sau khi chiếu xạ, mẫu vật thường có sức sống giảm, tốc độ sinh trưởng phát triển chậm và tỷ lệ chết tăng cao.
Gowthami & cs. (2017), hiệu ứng sinh học của tia gamma dựa trên sự tương tác với các nguyên tử trong tế bào, đặc biệt là nước và tạo ra các gốc tự do. Các gốc tự do này có thể làm hỏng hoặc thay đổi các thành phần quan trọng của tế bào thực vật. Từ đó ảnh hưởng đến hình thái, giải phẫu, sinh lý và sinh hóa của cây tùy thuộc vào liều bức xạ. Việc chiếu xạ hạt giống bằng tia gamma với liều xạ cao làm rối loạn sự tổng hợp protein, cân bằng hormone, trao đổi khí ở lá, trao đổi nước và hoạt động của enzyme.
Ở một số liều chiếu xạ tia gamma đối với thực vật có thể cải thiện khả năng chống chịu điều kiện bất thuận phi sinh học (hạn, mặn) (Kadhimi & cs., 2016).