Ảnh hưởng của tia gamma đến sự xuất hiện các biến dị và đột biến ở đậu tương

Trần Đình Đông Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 85(09)/1: 47 - 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 ẢNH HƢỞNG CỦA TIA GAMMA ĐẾN SỰ XUẤT HIỆN CÁC BIẾN DỊ VÀ ĐỘT BIẾN Ở ĐẬU TƢƠNG Trần Đình Đông* Trường ĐH Nông nghiệp Hà Nội TÓM TẮT Hạt khô của các giống đậu tƣơng DT83, DT74 và M103 đƣợc xử lý bằng tia gamma với các liều 100Gy, 150Gy, 170Gy và 200Gy, sau đó đƣợc trồng và theo dõi từ các thế hệ M1 cho thế hệ M3. Tia gamma đã ức chế sự sinh trƣởng, phát triển của cây và tạo ra các sai hình nhiễm sắc thể trong quá trình phân chia tế bào. Tia Gamma gây ra nhiều biến dị và đột biến của các tính trạng ở đậu tƣơng. Các biến dị và các đột biến đó di truyền khác nhau ở các thế hệ sau. Từ khóa: Tia gamma, sinh trưởng, phát triển, biến dị, đột biến, phân bào, đậu tương. ĐẶT VẤN ĐỀ* Tia gamma (  ) là một bức xạ phóng xạ có tác động rất mạnh đến cơ thể sinh vật. Những tổn thƣơng gây ra bởi tia  có thể làm sinh vật tử vong hoặc làm xuất hiện những biến dị và đột biến ở sinh vật [5]. Trong số những biển dị và đột biến xuất hiện do tác động của tia  , có thể có một số mang lại lợi ích cho con ngƣời, nhƣ tạo ra vật liệu cho việc chọn tạo giống, cải thiện tính trạng ở cây trồng. Với mục đích tạo ra các đột biến có ích làm vật liệu cho chọn tạo giống đậu tƣơng, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu “ảnh hƣởng của tia  đến sự xuất hiện các biến dị và đột biến ở đậu tƣơng” ở các thế hệ M1, M2 và M3. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu và phƣơng pháp xử lý - Hạt của các giống đậu tƣơng ĐT74, DT83, M103 đƣợc chọn lọc kỹ theo các đặc điểm di truyền của giống, lấy các hạt có kích thƣớc trung bình, không bị sâu, bệnh, lép. - Xử lý bức xạ  nguồn Co 60 lên hạt khô của mỗi giống đậu tƣơng theo các công thức tƣơng ứng với các liều 100Gy, 150Gy, 170Gy và 200Gy, mỗi công thức xử lý 400 hạt. Đối chứng của mỗi giống là hạt không xử lý tia  . Phƣơng pháp nghiên cứu Thế hệ M1 - Hạt của các giống đậu tƣơng sau khi xử lý tia  và đối chứng đƣợc lấy ra mỗi công thức 100 hạt, * Tel: 0912351297 cho nảy mầm ở 250C, khi độ dài mầm đạt 0,7 đến 1cm, cắt ở mỗi công thức 30 mầm, đem cố định trong dung dịch canua 6:3:1 trong 6 giờ, sau đó rửa sạch bằng nƣớc cất, giữ trong cồn 700 ở 40C. Tế bào chóp rễ đƣợc kiểm tra bằng phƣơng pháp nhuộm tiêu bản tạm thời, quan sát dƣới kính hiển vi quang học Olemput. Mỗi công thức nghiên cứu 500 tế bào ở giai đoạn hậu kỳ (10 đến 15 rễ mầm). - Hạt còn lại của các công thức đƣợc gieo theo phƣơng pháp bố trí tuần tự có đối chứng xen kẽ, mật độ gieo 7x40 cm. Theo dõi các chỉ tiêu sinh trƣởng, phát triển và các dạng biến đổi từ lúc gieo hạt đến khi thu hoạch. Tính tần số biến dị và đột biến ở mỗi công thức theo tỷ lệ phần trăm giữa số cây có biến đổi và tổng số cây theo dõi. Thế hệ M2 và M3 Gieo hạt của cây M1 theo từng công thức, theo dõi các chỉ tiêu sinh trƣởng, phát triển và phát hiện các biến dị, đột biến ở M2. Phân tích phƣơng sai, hệ số biến động của một số tinh trạng ở các công thức M2. Nghiên cứu mức độ phân ly tính trạng từ M1 sang M2 của một số biến dị đặc biệt tách ra từ M1.. Gieo hạt của cây M2 theo các công thức để phát hiện biến dị và đột biến mới xuất hiện ở M3. Phần hạt còn lại của M1 đƣợc gieo đồng thời với hạt của các cây có biến dị đặc biệt tách từ M2 để xác định vi phân chọn lọc và hệ số di truyền thực nghiệm của một số dòng từ M2 sang M3. Phương pháp xử lý số liệu Số liệu đƣợc xử lý thống kê, với một số công thức đã sử dụng: - Giá trị trung bình: n X X i  với xi là giá trị lần đo thứ i; n là số lần đo. Trần Đình Đông Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 85(09)/1: 47 - 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48 - Phạm vi biến động: R = Xmax → Xmin - Phƣơng sai: S = 1 )(   n XX i - Hệ số biến động: Cv% = %100. X S - Sai số tiêu chuẩn: Sx = n S - Giá trị ƣớc lƣợng trung bình: X = X x St . - Hệ số di truyền thực nghiệm xác định theo phƣơng pháp của Allard R.W. [1] và Mather K. [4]: h 2 = s S G G / Trong đó S G là vi phân chọn lọc giả định, bằng độ lệch giữa số đo cá thể chọn lọc Xi với giá trị trung bình của quần thể xuất phát 1PX : S G = Xi - 1PX / SG là vi phân chọn lọc thực, bằng độ lệch giữa số đo trung bình của quần thể mới đƣợc tạo lập từ cá thể chọn lọc 2PX với giá trị trung bình của quần thể xuất phát đƣợc gieo trồng ở cùng điều kiện: SG = 2PX - 1PX KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Những biến đổi ở quần thể đậu tƣơng thế hệ M1 Sự nảy mầm, sinh trƣởng, phát triển của cây là kết quả của tƣơng tác giữa genotip và điều kiện ngoại cảnh. Trong thí nghiệm, ngoài điều kiện gieo trồng, còn có ảnh hƣởng của tia  nên sự nảy mầm, sinh trƣởng, phát triển của cây có nhiều biến đổi khác nhau. Trong điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm (250C) các công thức xử lý tia  liều lƣợng cao đều làm giảm tỷ lệ nảy mầm so với đối chứng. Chẳng hạn liều 200Gy làm giảm tỷ lệ nảy mầm so với đối chứng 13,4 % ở giống DT83 và 14,1% ở giống M103. Trên đồng ruộng, tia  các liều 170Gy, 200Gy làm giảm rõ rệt tỷ lệ cây sống sót so với đối chứng ở tất cả các giống. Tia  có tác dụng kìm hãm sinh trƣởng phát triển của cây đậu tƣơng, nên ở các công thức xử lý tia  đều có chiều cao cây, số đốt/thân chính thấp hơn đối chứng và càng thấp khi liều lƣợng xử lý càng tăng. Tia  cũng kéo dài thời gian sinh trƣởng phát triển của cây đậu tƣơng so với đối chứng từ từ 2 đên 6 ngày (ở giống ĐT74, M103) hay 2 đến 9 ngày (ở giống DT83). Do tác động của tia  , nhiều dạng biến dị khác nhau đã xuất hiện ở các giống đậu tƣơng với tần số tăng theo chiều tăng của liều lƣợng xử lý. Kết quả ở bảng 1 cho thấy ở giống ĐT74, các công thức xử lý có từ 3,8 đến 40,9% số cây xuất hiện biến dị, trong khi đó ở đối chứng không xử lý chỉ là 1,6%. Kết quả tƣơng tự cũng thấy ở các giống DT83 và M103. Tia  tạo ra phổ biến dị khá rộng trên tất cả các giống đậu tƣơng, từ biến đổi về hình dạng, kích thƣớc, màu sắc thân, lá, hoa, quả, hạt đến các biến dị về chiều cao cây, số cành, số lá; Các biến dị cây nhiều quả, cây không có quả hoặc bất dục một nửa cây,Sự đa dạng của biến dị còn thể hiện ở chỗ trên cùng một cây có thể xuất hiện đồng thời nhiều biến dị và trên một cơ quan của cây có nhiều dạng biến dị khác nhau. Chẳng hạn biến dị lá chét có dạng lá từ 1 đến 6 thùy, hoặc vẫn ba thùy nhƣng hình dạng, kích thƣớc các thùy khác xa đối chứng. Với liều xử lý tăng dần thì số dạng biến dị xuất hiện cũng tăng dần ở tất cả các giống (từ 6 đến 13 dạng), trong khi đó ở đối chứng không xử lý chỉ có từ 3 đến 4 dạng biến dị. Những biến động trong quá trình phân bào do ảnh hƣởng của tia  Để kiểm tra tác động của tác nhân đột biến và xác định độ mẫn cảm của các giống đậu tƣơng, nhiều tác giả đã tiến hành nghiên cứu các biến đổi trong quá trình phân bào nguyên nhiễm và giảm nhiễm [3]. Do đậu tƣơng có số nhiễm sắc thể (NST) lớn (2n = 40), các NST lại nhỏ, dạng que ngắn, tƣơng đối giống nhau, rất khó phân biệt dƣới kính hiển vi quang học, do vậy chúng tôi chỉ tập trung quan sát những sai hình NST ở hậu kỳ của quá trình phân bào ở mô phân sinh rễ do tác động của tia  . Kết quả cho thấy các dạng sai hình NST ở các công thức xử lý tia  khá phong phú, biểu hiện ở các dạng biến đổi sau: Thứ nhất, các NST chạy về hai cực không đều, khoảng giữa hai nhóm NST đã tập trung còn các NST nằm rải rác. Thứ hai, xuất hiện cầu nhiễm sắc giữa hai đám NST đã chạy về hai cực. Thứ ba là xuất hiện vòng NST ở không Trần Đình Đông Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 85(09)/1: 47 - 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 49 gian giữa hai cực, đây có thể là những đoạn NST bị đứt hoặc tách ra và cuộn lại. Dạng thứ tƣ là NST tiến trƣớc, tức là khi các NST chạy về hai cực thì một số chạy quá, nên hình thành những đám nhỏ NST ở trƣớc hai cực. Dạng thứ năm là biến đổi tổng hợp của các dạng trên, nên xuất hiện một đám lớn nhiều mảnh NST nằm giữa hai cực. Nhìn chung ở tất cả các giống, số dạng và tần số sai hình NST đều tăng theo chiều tăng của liều lƣợng xử lý tia  (bảng 2). Bảng 2. Tần số và số dạng sai hình NST ở M1 Công thức thí nghiệm ĐT74 DT83 M103 Tần số (%) Số dạng Tần số (%) Số dạng Tần số (%) Số dạng ĐC 0,6 1 0,8 1 0,8 1 100Gy 4,2 4 3,6 3 4,1 4 150Gy 16,8 4 14,0 4 15,7 4 170Gy 23,6 4 20,2 4 21,8 5 200Gy 28,6 5 24,4 4 26,6 5 Sự xuất hiện biến dị ở quần thể đậu tƣơng thế hệ M2 Kết quả theo dõi ở thế hệ M2 cho thấy tần số xuất hiện biến dị ở các công thức xử lý đều cao hơn đối chứng (bảng 3). Chẳng hạn với giống ĐT74, tần số xuất hiện biến dị ở các công thức xử lý tia  từ 4,05 đến 6,62%, đối chứng chỉ có 0,93%. Tƣơng tự với giống DT83 tần số xuất hiện biến dị ở các công thức xử lý tia  từ 5,34 đến 7,65%, còn đối chứng là 1,55%. Với giống M103, tần số xuất hiện biến dị ở các công thức xử lý tia  từ 3,23 đến 9,61%, còn đối chứng là 1,54%. Nhìn chung tần số xuất hiện biến dị ở M2 thấp hơn M1 và cao nhất ở các công thức xử lý 150Gy và 170Gy; Tuy nhiên số dạng biến dị ở M2 phong phú hơn M1. Hầu hết các dạng biến dị xuất hiện ở M1 đều xuất hiện ở M2, ngoài ra còn xuất hiện thêm nhiều dạng biến dị mới trong đó có những biến dị có giá trị kinh tế nhƣ cây nhiều quả, năng suất cao, chống chịu bệnh sƣơng mai, gỉ sắt hay chín sớm hơn đối chứng. Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của nhiều tác giả nhƣ Tambe A.B., Apporao B.J. [6]. Đột biến diệp lục là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá hiệu quả gây đột biến của tác nhân xử lý tính trạng nghiên cứu. Dựa theo cách phân loại đột biến diệp lục của Gottschank W. [2], chúng tôi đã quan sát đƣợc 6 dạng đột biến diệp lục ở các công thức xử lý tia  . Dạng thứ nhất – Albina, cây có lá sò màu trắng hoặc toàn thân màu trắng, dạng này xuất hiện ở cây non sau vài ngày nảy mầm và đều bị chết ở giai đoạn còn non. Dạng thứ hai – Xantha, cây non có màu vàng úa và cũng khô héo rồi chết ở giai đoạn non. Hai dạng ở cây non là lá có lá màu xanh sáng – Cloroviridis và lá màu xanh thẫm – aroviren. Ở cây trƣởng thành có hai dạng đột biến diệp lục lá màu vàng sáng – terminlis và lá có sọc trắng – marginata. Trung bình, tần số xuất hiện đột biến diệp lục là 0,989% ± 0,003% ở giống DT83, 1,086 ± 0,002% ở giống ĐT74 và 1,125% ± 0,004% ở giống M103. Các dạng đột biến diệp lục trên không xuất hiện ở các công thức đối chứng. Phƣơng sai kiểu hình và hệ số biến động của một số tính trạng Từ năm 1949, Mather K. [4] đã dùng phƣơng sai kiểu hình để khảo sát sự đa dạng về kiểu hình trong quần thể đậu tƣơng. Để đánh giá một cách định lƣợng sự khác biệt kiểu hình giữa các cá thể của quần thể đậu tƣơng thế hệ M2 do tác động của tia  , chúng tôi tiến hành phân tích phƣơng sai kiểu hình (S2), hệ số biến động (Cv%) và phạm vi biến động R của một số tính trạng số lƣợng nhƣ chiều cao cây, số đốt trên thân chính, số quả/cây và khối lƣợng hạt/cây. Kết quả thu đƣợc ở bảng 4 với giống Đ74 cho thấy, tuy mức độ khác nhau song tia  đã làm tăng phƣơng sai kiểu hình, hệ số biến động và phạm vi biến động của các tính trạng nghiên cứu. Chẳng hạn, chiều cao cây có phƣơng sai kiểu hình là 239,6, hệ số biến động 30,6% ở công thức xử lý 150Gy, trong khi đó ở đối chứng phƣơng sai kiểu hình chỉ là 27,8 và hệ số biến động 10,4%. Kết quả tƣơng tự cũng thu đƣợc với số đốt/thân chinh và số quả/cây. Khối lƣợng hạt/cây là tổng hợp hợp của nhiều tính trạng, khi phân tích các số liệu thí nghiệm về tính trạng này chúng tôi thấy so với đối chứng thì các công thức xử lý tia  có S2 và Cv% lớn hơn. Kết quả cũng cho thấy, với giống ĐT74 thì liều 150Gy tác động mạnh nhất, nên S2 và Cv% ở công thức này cao nhất với cả bốn. Kết quả theo dõi ở thế hệ M3 cho thấy, nhìn chung tần số và số dạng biến dị xuất hiện ở tất cả các công thức đều rất thấp hơn M2; Chẳng hạn ở giống ĐT74 tần số biến dị chỉ từ 0,5 đến 1,4% và chỉ có 3 dạng biến dị về hình dạng lá chét, hình dạng quả và cây không phân cành. Trần Đình Đông Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 85(09)/1: 47 - 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 50 Để phân lập các dòng đột biến có giá trị kinh tế, cần phải kiểm tra khả năng di truyền của các biến dị đã tạo ra. Tuy nhiên một số tính trạng số lƣợng nhƣ chiều cao cây, số cành cấp 1, số quả/cây,có thể do nhiều cặp gen quy định nên sự phân ly của biến dị về các tính trạng này rất phức tạp, khó xác định. Để tránh phiến diện khi đánh giá hiệu quả chọn lọc các dòng theo các tính trạng này; Cùng với đánh giá bằng quan sát, chúng tôi dựa vào các số đo để tính vi phân chọn lọc và hệ số di truyền thực nghiệm theo phƣơng pháp của Allard K.W. [1]. Kết quả ở bảng 5 cho thấy, với tính trạng chiều cao cây, cả hai dòng CA34 và CA63 đều có chiều cao cây vƣợt giá trị trung bình của quần thể chọn lọc 13,6 cm nhƣng chọn dòng CA63 sẽ có hiệu quả cao hơn vì sự di truyền của tính trạng này sang thế hệ sau là h2 = 0,8, còn dòng CA34 chỉ đạt h2 = 0,49. Tƣơng tự, nếu chọn theo tính trạng số cành cấp 1, sẽ có hiệu quả cao ở dòng CN48 (có h2 = 0,82). Ở tính trạng số quả/cây thì việc chọn lọc sẽ đạt hiệu quả với xác suất từ 60% (dòng CA34) đến 80% (dòng CN48). KẾT LUẬN Từ kết quả nghiên cứu ảnh hƣởng của tia  đến sự xuất hiện biến dị và đột biến ở các giống đậu tƣơng chúng tôi rút ra một số kết luận sau: - Tia  khi xử lý lên hạt khô của đậu tƣơng đã kìm hãm sinh trƣởng, phát triển của cây đậu tƣơng thế hệ M1, gây biến động trong phân chia tế bào, tạo nên những sai hình NST, đƣợc biểu hiện ở 5 dạng khác nhau. - Tác động của tia  đã làm xuất hiện nhiều dạng biến dị, đột biến khác nhau ở các thế hệ đậu tƣơng, trong đó có nhiều biến dị có giá trị kinh tế. Tần số và phổ biến dị rộng ở thế hệ M1, M2 và thấp ở thế hệ M3; Do vậy việc chọn lọc đột biến nên tập trung vào hai thế hệ đầu. - Sự di truyền của các biến dị sang thế hệ sau là khác nhau, các biến dị về hình dạng lá chét, thân, vỏ quả ở M1 là thƣờng biến nên không di truyền sang thế hệ sau. Một số biến dị có giá trị về kinh tế, chọn lọc từ M2 nhƣ tăng chiều cao cây, số cành cấp 1, số quả/cây có hệ số di truyền thực nghiệm từ 0,23 đến 0,82. Bảng 1. Tần số và số dạng biến dị ở M1 Công thức thí nghiệm ĐT74 DT83 M103 Tần số biến dị (%) Số dạng biến dị Tần số biến dị (%) Số dạng biến dị Tần số biến dị (%) Số dạng biến dị ĐC 1,6 ± 0,1 3 1,9 ± 0,1 3 1,7 ± 0,1 4 100Gy 3,8 ± 0,1 7 5,9 ± 0,2 6 8,0 ± 0,3 7 150Gy 10,0 ± 0,7 10 21,4 ± 0,6 10 16,1 ± 0,6 11 170Gy 17,4 ± 0,5 10 34,3 ± 1,5 10 19,5 ± 1,0 11 200Gy 40,9 ± 2,0 12 47,6 ± 1,0 12 43,1 ± 2,0 13 Tần số trung bình (trừ ĐC) 19,2 ± 0,3 % 16,8 ± 0,3 % 19,5 ± 0,3 % Bảng 3. Tần số và số dạng biến dị ở M2 Công thức thí nghiệm ĐT74 DT83 M103 Tần số biến dị (%) Số dạng biến dị Tần số biến dị (%) Số dạng biến dị Tần số biến dị (%) Số dạng biến dị ĐC 0,93 ± 0,01 3 1,55 ± 0,01 4 1,54 ± 0,01 3 100Gy 5,45 ± 0,01 13 5,34 ± 0,01 11 3,32 ± 0,01 10 150Gy 6,62 ± 0,01 17 6,81 ± 0,01 12 9,61 ± 0,01 14 170Gy 6,00 ± 0,01 15 7,65 ± 0,01 14 8,26 ± 0,01 15 200Gy 4,05 ± 0,01 13 6,17 ± 0,10 11 5,72 ± 0,01 11 Bảng 4. Phƣơng sai kiểu hình và hệ số biến động của một số tính trạng ở các công thức xử lý tia gamma của giống đậu tƣơng ĐT74 Công thức thí nghiệm Chiều cao cây Số đốt/thân chính Số quả/cây Khối lƣợng hạt/cây S 2 Cv% S 2 Cv% S 2 Cv% S 2 Cv% Đ. chứng 27,8* 10,4 0,4* 5,2 31,7* 16,2 0,2* 7,9 100Gy 53,7 ** 14,7 1,8 * 11,1 58,1 ** 21,1 0,8 * 16,2 150Gy 239,6 * 30,6 4,3 8 17,5 155,4 * 35,2 2,7 * 31,1 170Gy 172,5 * 25,7 3,3 * 15,3 103,5 * 28,1 1,9 * 26,0 Trần Đình Đông Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 85(09)/1: 47 - 51 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 51 200Gy 154,0 * 24,6 3,2 * 15,0 101,2 * 29,2 1,9 * 28,9 * - F > F0,01 ; ** - F > F0,05 Bảng 5. Vi phân chọn lọc và và hệ số di truyền thực nghiệm của một số dòng đậu tƣơng Dòng Chiều cao cây Số cành cấp 1 Số quả/cây Gs (cm) G / S (cm) h - Gs (cm) G / S (cm) h 2 Gs (cm) G / S (cm) h 2 CA31 5,0 4,1 0,82 1,5 0,6 0,40 11,2 8,3 0,74 CA34 13,6 6,7 0,49 1,7 0,4 0,23 20,5 12,3 0,60 CN48 5,6 3,5 0,62 3,4 2,8 0,82 31,2 25,0 0,80 CA63 13,6 10,9 0,80 2,2 0,7 0,31 18,7 12,6 0,67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Allard R.W. Principles of plant breeding. Wiley and Sons, New York and London, 1967, 115-150p. [2]. Gottschalk W., The yield capacity of useful mutation: a critial review of a collection of mutant types of Pisum. In: Mutation and plant breeding, Vienna, 1965, 86p. [3]. Gustaffson A., Heriditas, 22, 1937, 181p [4]. Mather K., Biometrical Gennetics. London, 1949, 68-69p. [5]. Swaminathan M..S., Siddig E.A,Studies on the enhancement of mutation frequency and indentification of mutation of plant breeding and physio-genetic significance in some breeding. II Proc. IAEA, Vienna, 1968, 233-239p. [6]. Tambe A. B., Apporao B. J. Gamma rays induced mutations in soybean. Proceeding ò an International Joint FAO/IAEA Symposium, 2008-2009, 95-96p. SUMMARY INFUENCE OF GAMMA RAYS ON THE APPEARANCE OF VARIANTS AND MUTATIONS OF SOYBEAN Tran Dinh Dong * Hanoi University of Agriculture Dry seed of soybean varieties DT74, DT83 and M103 were treated by gamma rays with 100Gy, 150Gy, 170Gy and 200Gy doses. The treated seeds were planted and observed from the M1 generation to the M3 generation. Gamma rays inhibited growth, development of plant and created wrong types of chromosome in the cell division process. Gamma rays caused many variations and mutations of soybean traits. The variations and the mutations inherited differently in generations Key words: Gamma rays, growth, development, variation, mutation, cell division, soybean. * Tel: 0912351297