Sở Khoa học và Công Nghệ

https://sokhcn.tayninh.gov.vn

Vai trò của công nghệ bức xạ trong phát triển và xuất khẩu giống cây trồng

Bức xạ ion hóa là yếu tố quan trọng tác động đến các dạng thực vật trên Trái đất. Bức xạ ion hóa có thể làm suy yếu sự ảnh hưởng của từ trường của Trái đất đến khả năng sinh trưởng của cây trồng hay tác động đến nước cũng như đặc điểm sinh lý của các hạt giống. Chính vì thế, bức xạ ion hóa có nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực trồng trọt, phát triển và xuất khẩu các giống cây trồng, đặc biệt là cây trồng chất lượng cao.
Ngành nông nghiệp là trụ cột của nền kinh tế ở hầu hết các quốc gia đang phát triển. Tỷ trọng nông nghiệp trong tổng sản phẩm quốc nội (GDP) thường chiếm hơn 50% và ở nhiều quốc gia hiện nay vẫn có tới 80% dân số sinh sống bằng nông nghiệp. Nhưng ở hầu hết các quốc gia này, năng suất nông nghiệp (chăn nuôi, trồng trọt) lại rất thấp, sản lượng không cao và không ổn định. Phần lớn hoạt động trồng trọt nông nghiệp là canh tác tự cung tự cấp, không tạo ra thu nhập tài chính và hầu hết không đủ để nuôi sống các gia đình làm nông. Trong hoàn cảnh đó, ngành nông nghiệp không thể đóng góp vào sự phát triển kinh tế chung, thậm chí còn không thể đối phó với những thách thức trong việc dân số ngày càng tăng, xóa đói giảm nghèo hay giảm thiểu biến đổi khí hậu.
Một trong những lý do dẫn đến hiệu quả nông nghiệp kém ở các nước đang phát triển là do thiếu tiến bộ trong việc cải thiện năng suất của các giống cây trồng truyền thống, không có các giống cây trồng mới hoặc cây trồng chất lượng cao để phát triển. Điều này trái ngược với các quốc gia phát triển như Pháp (có lúa mì) hay Hoa Kỳ (có ngô) đã tăng gấp đôi năng suất trong khoảng hai thế kỷ qua. Rõ ràng, sự ra đời của các giống cây trồng chất lượng cao hiện nay đã giúp sản lượng lương thực tăng đáng kể. Theo đánh giá của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc (FAO), ước tính hiện nay các giống cây trồng cải tiến đã chiếm hơn 50% mức tăng năng suất tổng thể của các loại cây trồng chủ đạo ở châu Âu. Sự gia tăng năng suất còn lại là do cải thiện kỹ thuật nông nghiệp, bao gồm phân bón và kiểm soát sâu bệnh. Tuy nhiên, việc cải thiện năng suất không phải là mục tiêu chính duy nhất trong chọn tạo, sử dụng giống cây trồng chất lượng cao mà còn là để chống chịu sự biến đổi của môi trường, sinh học và tăng chất lượng lương thực. Bởi vậy, việc xuất nhập khẩu các giống cây chất lượng cao đã và đang là mối quan tâm của rất nhiều quốc gia, đặc biệt khi việc chọn tạo giống cây trồng chất lượng cao vẫn còn nhiều thách thức với các quốc gia đang phát triển, hạn chế về công nghệ cũng như kinh tế.
Công nghệ bức xạ trong chọn tạo giống cây trồng
Bức xạ được cho là một “chất gây đột biến” kể từ khi Muller chứng minh việc tiếp xúc với tia X có thể làm biến đổi gen vào năm 1928. Sau khi Stadler xuất bản bài báo đầu tiên về đột biến khi chiếu xạ ngô và lúa mạch, bức xạ đã được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển các giống cây trồng mới cho sản xuất và làm nguồn gen. Lịch sử khoa học đã ghi nhận hàng loạt kỹ thuật trong chọn giống cây trồng từ lai tạo tiến hóa tự nhiên đến lai tạo đột biến. Lai tạo giống đột biến là sử dụng các phương pháp đột biến nhân tạo để thu được các giống cây trồng mới, chủ yếu thông qua đột biến hóa học hoặc bức xạ. Đột biến hóa học là phương pháp sử dụng các phản ứng sinh hóa giữa tác nhân hóa học và vật chất di truyền, kết quả chủ yếu là các biến đổi gen. Mặc dù gây đột biến hóa học rất dễ thực hiện nhưng lại có tác động không nhỏ đến môi trường và an toàn sinh học. Trong khi đó, đột biến bức xạ là đột biến có khả năng mang đến các dạng di truyền phức tạp hơn và nhiều kiểu hình đột biến có lợi hơn. Thống kê đến năm 2020, đã có 3.365 giống đột biến được đăng ký trong Cơ sở dữ liệu về giống đột biến của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) và hơn 1.000 giống mới được sử dụng và quảng bá trên toàn thế giới. Khoảng 70% trong tổng số giống đăng ký được tạo ra bằng tia gamma và tia X.
Nhân giống đột biến bức xạ thường được chia thành nhân giống đột biến bức xạ cổ điển, nhân giống đột biến hạt và nhân giống đột biến bức xạ không gian. Các phương pháp gây đột biến bức xạ cổ điển chủ yếu sử dụng tia X và tia gamma. Phương pháp này sử dụng các tia bức xạ khác nhau để gây ra lượng lớn đột biến gen và tăng tốc độ sản sinh các đặc tính đột biến thông qua tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên DNA. Điều này mang đến khả năng tạo ra nhiều thuộc tính mong muốn chưa từng có hoặc đã bị mất đi trong quá trình tiến hóa của cây trồng. Cho đến nay, đã có rất nhiều giống mới được sử dụng rộng rãi trong sản xuất từ việc lai tạo bằng công nghệ nhân giống đột biến bức xạ cổ điển.
Nhân giống đột biến hạt chủ yếu sử dụng các hạt được gia tốc như hạt ion nặng hoặc proton. Các loại hạt này có các đặc tính vật lý độc đáo, thông số bức xạ đa dạng, cấu trúc hoàn chỉnh và phân bố liều theo chiều sâu. Các hạt gia tốc có thể gây đột biến mạnh mẽ cho cây trồng khi có khả năng gây đột biến sinh học tuyệt đối với liều lượng bức xạ tương đối thấp. Một ưu thế đáng chú ý của nhân giống đột biến hạt là có thể tạo ra giống cây trồng với các đặc điểm tốt mà không sinh ra các dạng kiểu hình khác.
Ngoài ra, với sự tiến bộ của khoa học hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực vũ trụ, các hoạt động bên ngoài không gian sẽ trở nên phổ biến hơn trong tương lai. Đặc điểm của môi trường không gian bên ngoài bầu khí quyển là vi trọng lực xen kẽ nhiều bức xạ và từ trường. Môi trường đặc biệt và phức tạp này mang lại tiềm năng mới cho nhân giống đột biến. So với dạng bức xạ truyền thống, nhân giống đột biến bức xạ không gian có tần số đột biến và đa bội hóa cao, tỷ lệ đột biến có thể đạt 10%.
Hiện nay có rất nhiều cơ sở máy gia tốc hạt trên thế giới nhưng hầu hết chúng được sử dụng cho nghiên cứu vật lý hạt nhân, rất ít cơ sở được sử dụng cho mục đích phục vụ nông nghiệp. Máy gia tốc hạt có thể được chia thành máy gia tốc hạt năng lượng trung bình và cao (mức MeV hoặc GeV) và máy gia tốc hạt năng lượng thấp (mức KeV). Các cơ sở máy gia tốc hạt năng lượng trung bình và năng lượng cao được sử dụng để nhân giống đột biến bức xạ hạt bao gồm RIBF của Viện Nghiên cứu Vật lý và Hóa học (RIKEN, Nhật Bản), TIARA của Viện Khoa học và Công nghệ lượng tử Quốc gia (QST, Nhật Bản), W- MAST của Trung tâm Nghiên cứu năng lượng Wakasa Wan (WERC, Nhật Bản), LNS của Viện Vật lý hạt nhân Quốc gia (INFN, Ý), HIRFL của Viện Vật lý hiện đại, Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS-IMP, Trung Quốc) và CYCIAE100 của Viện Năng lượng nguyên tử Trung Quốc (CIAE, Trung Quốc). Trong lĩnh vực gây đột biến hạt năng lượng thấp, các cơ sở nghiên cứu tiêu biểu nhất là IBBe-Device của Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì, Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS-HIPS, Trung Quốc), IBBT của Đại học Chiang Mai (CMU, Thái Lan),....
Số lượng giống đột biến được đăng ký tại IAEA trong giai đoạn 1960–2020 (dữ liệu từ Cơ sở dữ liệu về giống đột biến của IAEA).
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu chọn giống cây trồng đột biến đã được cố GS Lương Định Của khởi xướng từ những năm 60 của thế kỷ trước, nhưng phải đến năm 1980 hướng đi này mới phát triển có hệ thống. Hàng loạt công trình của các nhà khoa học đã tạo ra nhiều dòng đột biến có giá trị, được chọn lọc và phát triển thành giống cây quốc gia hoặc các dòng có triển vọng phục vụ công tác lai tạo. Thống kê của Viện Di truyền Nông nghiệp cho thấy, tính đến năm 2022, Việt Nam đã tạo trên 80 giống cây trồng đột biến (54 giống lúa, 16 giống đậu tương, 10 giống ngô, hoa, táo, bạc hà).
Các giống được tạo ra trước năm 1990 chủ yếu được xử lý bằng hóa chất, về sau được xử lý đột biến bằng chiếu xạ. Các kết quả nghiên cứu đã đóng góp cho sự phát triển của sản xuất nông nghiệp Việt Nam, nhất là đối với lúa, đậu tương, hoa và cây cảnh, mang lại hiệu quả kinh tế hàng trăm tỷ đồng mỗi năm. Năm 2019, giống lúa ST25 được phát triển dựa trên đột biến bức xạ đã được chọn là gạo ngon nhất thế giới, mang lại lợi thế phát triển về mặt kinh tế nông nghiệp cho Việt Nam, đặc biệt là trong “xuất khẩu giống cây trồng”.
Những năm gần đây, ngành nông nghiệp, các địa phương và nông dân trên địa bàn tỉnh đã tận dụng lợi thế về đất đai, thổ nhưỡng và ứng dụng khoa học - kỹ thuật để phát triển các loại cây trồng xuất khẩu. Đồng thời, thực hiện các giải pháp góp phần nâng cao năng suất, chất lượng các loại sản phẩm trồng trọt, từng bước đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của thị trường xuất khẩu. Giai đoạn 2004-2015: năng suất giống cây trồng tăng từ 48,6 tạ/ha lên 57,8 tạ/ha; sản lượng từ 36,15 triệu tấn lên 45,26 triệu tấn/năm; đặc biệt là sản xuất ngô năng suất từ 34,6 tạ/ ha lên 44,8 tạ/ha, sản lượng từ 3,431 triệu tấn lên 5,280 triệu tấn/năm và sản xuất sắn năng suất từ 74,9 tạ/ha lên 190 tạ/ha, sản lượng từ 1,51 triệu tấn lên 1,33 triệu tấn/năm. Năm 2020 và 2021 là giai đoạn khó khăn cho nền kinh tế thế giới và Việt Nam, nhất là đối với hoạt động xuất nhập khẩu. Thế nhưng, tổng kim ngạch xuất khẩu của Việt Nam vẫn đạt một con số ấn tượng: 544 tỷ USD và nông sản là mặt hàng xuất khẩu nổi trội hàng đầu, lập kỷ lục mới với giá trị xuất khẩu đạt 41,2 tỷ USD.
Công nghệ bức xạ trong xuất khẩu giống cây trồng
Công nghệ bức xạ đóng vai trò quan trọng trong việc chọn tạo giống cây trồng, cho ra những giống cây trồng chất lượng cao, vừa để phát triển trồng trọt trong nước vừa có thể xuất khẩu sản phẩm cũng như giống cây ra nước ngoài. Tuy nhiên, không chỉ ở khía cạnh ứng dụng trong đột biến chọn tạo giống, công nghệ bức xạ còn có vị trí quan trọng trong khâu xuất nhẩu cây trồng: kiểm dịch thực vật và đảm bảo giữ sinh trưởng của cây trồng theo yêu cầu xuất nhập khẩu.
Trong vài năm trở lại đây, các nhà khoa học đã bắt đầu tập trung và thực hiện nhiều nghiên cứu liên quan đến những yếu tố tác động đến sự sinh trưởng của cây trồng. Một trong những yếu tố được quan tâm nhiều nhất đó là trường địa từ và bức xạ tác động đến trường địa từ. Trường địa từ (GMF) là một thành phần tự nhiên của môi trường có tác động lớn đến thực vật. Trong khi thuyết quang dưỡng (phototropism), thuyết hấp dẫn (gravitropism) và thuyết phản ứng kích thích cảm ứng (thigmotropism) đã được các nhà khoa học nghiên cứu từ rất sớm thì tác động của GMF đối với sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng đến nay vẫn còn khá mới mẻ.
Từ trường (MF) là một yếu tố môi trường không thể tránh khỏi đối với mọi thực vật trên Trái đất. Trong quá trình tiến hóa, tất cả các sinh vật sống đều trải qua tác động từ trường của Trái đất (được gọi là trường địa từ). GMF có ảnh hưởng đến nhiều quá trình sinh học, khác biệt đáng kể ở từng vị trí về cường độ và hướng từ trường. Cường độ MF ở bề mặt Trái đất dao động từ dưới 30 micro Telsa (μT) (vùng dị thường nam Đại Tây Dương) đến gần 70 μT (xung quanh các cực ở phía bắc Canada và phía nam của Úc, một phần của Siberia). Hầu hết các MF quan sát được trên bề mặt Trái đất đều có nguồn gốc từ bên trong Trái đất, chủ yếu được tạo ra bởi hoạt động của các dòng chảy hỗn loạn trong lõi kim loại lỏng và phần nhỏ là do các MF bên ngoài nằm trong tầng điện ly và từ quyển. Theo kết quả nhiều công trình nghiên cứu đến nay cho thấy, sự phát triển của rễ cây không phải có hướng thẳng xuống lòng đất mà theo hướng của GMF. Việc thiếu hiểu biết về hoạt động sinh học của MF và cơ chế của nó có tác động tương đối đến việc nghiên cứu, phát triển các giống cây trồng, quy trình chăm sóc và tạo giống mới.
Ví dụ như cây hướng dương khi tiếp xúc với MF thẳng đứng (20 μT) đã có sự gia tăng đáng kể về trọng lượng thân tươi, chồi tươi và rễ, trong khi trọng lượng khô và tỷ lệ nảy mầm không bị ảnh hưởng. Còn đối với đậu Hà Lan, vỏ đậu dài hơn (11,2 ± 4,2 mm) khi tiếp xúc với MF thấp so với điều kiện địa từ bình thường (8,8 ± 4,0 mm). Cùng với trọng lực, ánh sáng, nhiệt độ và khả năng cung cấp nước, GMF đã có tác động ngay từ khi bắt đầu tiến hóa thực vật. Sự tác động của GMF tích cực hay tiêu cực phụ thuộc vào cường độ tại từng khu vực trên Trái đất. Do đó, việc khắc phục các tác động tiêu cực và ứng dụng GMF để thúc đẩy việc phát triển cây trồng hay xuất khẩu nông nghiệp là những vấn đề được rất nhiều nhà khoa học nông nghiệp, nhà nghiên cứu công nghệ quan tâm.
Tác động của từ trường từ lên thực vật từ khi gieo hạt đến khi cây trưởng thành (Nguồn: Tạp chí International Journal of Molecular Sciences).
Mới đây, các nhà khoa học đã tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của bức xạ alpha (α) và gamma (γ) lên đặc điểm sinh lý các loại hạt giống cây trồng, cũng như đặc tính oxy hóa khử của nước. Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng từ GMF đối với các đặc điểm phát triển của hạt giống bị thay đổi đáng kể dưới tác động của bức xạ. Cụ thể là ảnh hưởng tiêu cực của GMF đối với các đặc điểm phát triển của hạt giống tác động gián tiếp thông qua nước giảm đi (tới 40 lần) khi sử dụng chiếu xạ γ (liều thấp) và tăng lên khi chiếu xạ α (liều thấp). Điều này cho phép khẳng định sự ảnh hưởng bức xạ γ đến GMF đối với khả năng nảy mầm và đặc điểm sinh lý của hạt giống, hay bức xạ là yếu tố chi phối trong tác động tổng hợp với GMF đến cây trồng.
Kết quả từ các nghiên cứu cho thấy bức xạ có khả năng ức chế hoặc thúc đẩy tăng trưởng hạt giống hay cây trồng trong tự nhiên. Với khả năng này, bức xạ có thể mang lại hiệu quả cao đối với lĩnh vực xuất khẩu cây trồng, giúp các hạt giống hay cây trồng duy trì trạng thái theo yêu cầu khi vận chuyển trong xuất nhập khẩu giữa các quốc gia; đồng thời giúp cây trồng đạt trạng thái tốt nhất khi di chuyển hạt giống giữa các khu vực địa lý khác nhau, có điều kiện tự nhiên về đất, nước khác nhau, đảm bảo chất lượng hạt giống hay có thể nói bức xạ cải thiện khả năng phát triển của các hạt giống cây trồng đối với các môi trường tự nhiên khác nhau. Toàn bộ lợi ích mà bức xạ mang lại, bao gồm chọn tạo giống cây trồng, cho ra các cây trồng chất lượng cao, kiểm dịch thực vật và kiểm soát sinh trưởng giống cây trồng,… đóng vai trò quan trọng và giúp thúc đẩy lĩnh vực “xuất khẩu” các sản phẩm nông nghiệp trên thế giới.
Sự phát triển khác nhau của cây trồng dưới điều kiện chiếu xạ khác nhau (Nguồn: Indonesian Journal of Forestry Research).
Tài liệu tham khảo
1. Magnetic field effects on plant growth, development, and evolution, Massimo E. Maffei, Department of Life Sciences and Systems Biology, Innovation Centre, University of Turin, Turin, Italy, 09/2014.
2. Effect of Magnetopriming on Photosynthetic Performance of Plants, Mohammad Sarraf, Kricelle Mosquera Deamici, Houda Taimourya, Monirul Islam, Sunita Kataria, Ritesh Kumar Raipuria, Gholamreza Abdi và Marian Brestic, Multidisciplinary Digital Publishing Institute, 08/2021.
3. Low Doses of Ionized Radiation and Hypomagnetic Field Alter Redox Properties of Water and Physiological Characteristics of Seeds of the Highest Plants, Svetlana Stepanovna Moisa, Vladimir Vladimirovich Tsetlin, Margarita Alexandrovna Levinskich, Elena Leonidovna Nefedova, Journal of Biomedical Science and Engineering, Vol.9 No.8, 07/2016.
4. Effect of Gamma irradiation on seed germination, storage, and seedling growth of Magnolia champaca L, Muhammad Zanzibar, Dede J. Sudrajat, Indonesian Journal of Forestry Research Vol. 3, No. 2, October 2016, 95-106.
Đỗ Ngọc Điệp - Trung tâm Thông tin và Tư vấn hạt nhân, Cục Năng lượng nguyên tử
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây