บทความงานวิจัย

เทคโนโลยีก่อกลายพันธุ์

การก่อกลายพันธุ์ (mutation) เกิดตามธรรมชาติอย่างช้าๆ จนเกิดเป็นพันธุ์ข้าวที่หลากหลายในปัจจุบัน การรุกพื้นที่ธรรมชาติ ทำให้เกิดการสูญเสียแหล่งพันธุกรรมธรรมชาติ จนปัจจุบันโอกาสที่จะพบแหล่งพันธุกรรมใหม่ๆ มีน้อยมาก เทคโนโลยีก่อกลายพันธุ์คือการใช้รังสี หรือสารก่อกลายพันธุ์กระตุ้นให้จีโนมเกิดการกลายพันธุ์ได้เร็วยิ่งขึ้น ทำให้เกิดความแปรปรวนที่มีความเด่นชัด ยากที่จะค้นพบตามธรรมชาติในปัจจุบัน

โครงการวิจัยนักวิจัยแกนนำนี้ ได้เล็งเห็นถึงคอขวดของการเข้าถึงแหล่งความแปรปรวนตามธรรมชาติ และการนำเอายีนที่กลายพันธุ์ไป ให้กลับมาเป็นประโยชน์ต่อไปอีกครั้ง

ข้าวที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม เป็นข้าวที่ปรับตัวให้เข้ากับสิ่งแวดล้อม โรค-แมลง ที่มาจำกัดการเจริญเติบโต ได้ดีจนสามารถรักษาระดับผลผลิตไม่ให้เสียหายไปมาก โดยไม่จำเป็นต้องใช้สารกำจัดศัตรูพืช ทำให้เกิดเป็นข้าวที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม  ปัจจุบันได้มีแนวทางการปรับปรุงพันธุ์ข้าวให้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมได้อย่างรวดเร็ว โดยใช้ตำแหน่งยีนต้านทานโรค-แมลง และสิ่งแวดล้อมจำกัด

การสร้างประชากรข้าวพันธุ์กลายที่ถาวร

การสร้างประชากรข้าวพันธุ์กลาย ได้สร้างไว้ตั้งแต่ปี 2548 และได้พัฒนาจนนิ่ง โดยใช้ข้าวเจ้าหอมนิล ซึ่งเป็นข้าวไม่ไวแสง อายุเก็บเกี่ยว 90-100 วัน ที่มีคุณค่าทางโภชนาการที่ดี ข้าวพันธุ์นี้เมื่อถูกเหนี่ยวนำด้วยรังสีหรือสารเคมีจะกลายพันธุ์ได้ง่าย นอกจากนี้ยังมีข้อได้เปรียบในเรื่องของสีเมล็ด ใบ และลำต้นที่แตกต่างอย่างชัดเจนจากข้าวทั่วไป เมื่อค้นพบข้าวพันธุ์กลายแล้วยังสามารถนำมาเข้าคู่ผสมกับข้าวได้ดีแทบทุกพันธุ์    การสร้างประชากรข้าวพันธุ์กลาย ใช้การเหนี่ยวนำเมล็ดข้าวเจ้าหอมนิล ด้วยรังสี Fast Neutron ที่ระดับ 33 Gy ที่สำนักงานปรมณูเพื่อสันติ  โดยใช้เมล็ดเริ่มต้น (M₀) จำนวน 100,000 เมล็ด จากนั้นทำการปลูก M₁ ในแปลงในรูปแบบเพลท 96 ตัวอย่าง เพื่อเก็บเมล็ด M₂  จากนั้นทำการรวมเมล็ด M₂ ที่มาจาก M₁ ต้นเดียวกันเข้าได้กันแล้วสุ่มเมล็ด M₂ มาปลูก 8 ต้น เพื่อเป็นตัวแทนของ M₁ แต่ละสายพันธุ์ หลังจากนั้นได้ลดขนาดประชากรลงมาอยู่ที่ 24,000 สายพันธุ์ และปลูกขยายประชากรรุ่น M₃ ตามวิธีการเดียวรุ่น M₂ จนถึงปัจจุบันสามารถเก็บเมล็ดพันธุ์ในรุ่น M₄ ได้ทั้งหมด 21,024 สายพันธุ์

ภาพแผนผังการสร้างและรักษาประชากรข้าวเจ้าหอมนิลพันธุ์กลาย

แนวทางค้นหายีนกลาย

เนื่องจากการก่อกลายพันธุ์เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นทั่วทั้งจีโนม ดังนั้นจึงทำให้การค้นหายีนกลายทำได้ไม่ง่าย ปัจจุบันการถอดรหัสสารพันธุกรรมทั้งจีโนม สามารถทำได้ในต้นทุนที่ยอมรับได้ ดังนั้นในทุนแกนนำ ครั้งนี้จะได้นำเอาเทคนิค Next Generation Sequencing (NGS) มาใช้ ซึ่งเราเชื่อว่าจะทำให้เกิดการก้าวกระโดดสู่ยีนเป้าหมายได้ไม่ยาก ประกอบกับการพัฒนาระบบ forward screening ที่ทรงประสิทธิภาพและสามารถคัดกรองข้าวกลายพันธุ์ที่แสดงลักษณะที่กลายจากพันธุ์ก่อนกลายพันธุ์  ทำให้การหา association กับ Single Nucleotide Polymorphism (SNP) เป็นแนวทางค้นหาหน้าที่ยีนกลายทั้งจีโนมที่เหมาะสม ร่วมกับเทคนิคการค้นพบหน้าที่ของยีนเฉพาะตัวเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็ว

พันธุ์กลายเป้าหมายที่ต้องการค้นหาหน้าที่ของยีน ประกอบด้วยพันธุ์กลายที่ขึ้นน้ำฉับพลัน, มีธาตุเหล็กสูงและทนทานต่อธาตุเหล็กเป็นพิษ ข้าวพันธุ์กลายที่คุณสมบัติแป้ง, ความหอม, ข้าวพันธุ์กลายที่สามารถติดเมล็ดภายใต้อุณหภูมิสูง รวมทั้งการคัดกรองสายพันธุ์กลายใหม่ที่สามารถติดเมล็ดได้ ภายใต้สภาพขาดน้ำ, อากาศเย็น และดินเค็ม        ทุนนักวิจัยแกนนำนี้จะสร้างฐานข้อมูลรหัสจีโนมที่ได้ศึกษามาแล้วให้เป็นประโยชน์กับนักวิจัย ให้เข้าถึงแหล่งพันธุกรรมที่มีค่านี้

เพื่อทดสอบสมมติฐาน ทุนนักวิจัยแกนนำจะได้นำข้าวพันธุ์กลายเหล่านี้มาพัฒนาเป็นพันธุ์ต้นแบบที่รวบยอดยีนได้มากกว่า 20 ตำแหน่ง ที่ต้านทาน โรค,แมลง  ทนน้ำท่วมฉับพลัน ทนดินเปรี้ยว ธาตุเหล็กสูง สามารถรักษาผลผลิต ภายใต้สภาวะโลกร้อนที่กำลังจะมาถึง 

วัตถุประสงค์ของโครงการนักวิจัยแกนนำ         

1. ค้นหาข้าวพันธุ์กลายที่เป็นประโยชน์ต่อการพัฒนาพันธุ์ข้าวหอมที่มีคุณภาพ, โภชนาการ และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
2. ค้นหาหน้าที่ของยีนที่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ โดยมุ่งเน้นการคัดกรองข้าวพันธุ์กลายที่ค้นพบและที่เป็นเป้าหมายใหม่ คือการปรับตัวในระยะออกรวง ในสภาพอากาศเย็น, ขาดน้ำ, ความเค็ม นำมาใช้หายีนและหน้าที่ นับเป็นครั้งแรกที่จะมีการคัดกรองประชากรข้าวพันธุ์กลายที่ปรับตัวเข้ากับภูมิอากาศที่เปลี่ยนแปลงไป
3. รวบยอดยีนที่มีประโยชน์ พัฒนาพันธุ์ข้าวที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

ต้องมีการพัฒนาระบบการรวบยอดยีน (gene pyramiding) ให้รวดเร็วและมีประสิทธิภาพมากที่สุด จนสามารถสร้างพันธุ์ข้าวที่แม่นยำอย่างต่อเนื่อง  โดยใช้ฐานข้าวปิ่นเกษตร+4 ข้าวผลผลิตสูง ที่ได้รวบยอดยีนต้านทานเพลี้ยกระโดดสีน้ำตาล ขอบใบแห้งและโรคไหม้ อย่างละ 2 ตำแหน่งและทนน้ำท่วมฉับพลัน เพื่อต่อยอดด้วยการปรับเปลี่ยนยีนทนน้ำท่วมฉับพลัน ด้วยกลุ่มยีนที่จะทำให้ข้าวยืดตัวใต้น้ำได้อย่างรวดเร็ว ธาตุเหล็กสูง มีความทนทาน สามารถผสมเกสรติดในสภาพเครียด (ขาดน้ำ, ดินเค็ม, อากาศเย็นและร้อนจัด)

ค้นหาข้าวพันธุ์กลายที่เป็นประโยชน์   >    ค้นหาหน้าที่ของยีนที่กลายไป  >  รวบยอดมาทำ Pyramiding

กลุ่มวิจัยย่อยที่ 1 Mutant Discovery

นับเป็นโอกาสอันดีที่จะทำการคัดแยกข้าวพันธุ์กลายที่ต้านทานความเป็นหมันต่อสภาพขาดน้ำ, อากาศเย็น และดินเค็ม เนื่องจากข้าวพันธุ์กลายจะมีความสม่ำเสมอในเรื่องวันออกดอก ความสูงและ biomass จากความสำเร็จ ในโครงการปรับปรุงพันธุ์ข้าวทนร้อน (สวก. ผู้ให้ทุน) โดย รศ.ดร. พูนพิภพ เกษมทรัพย์ และ ผศ.ดร. ชเนษฎ์ ม้าลำพอง ได้นำประชากรกลายพันธุ์จำนวน 12,000 lines นี้ไปคัดกรองการผสมติดภายใต้สภาวะโลกร้อน และประสบสามารถพบข้าวพันธุ์กลาย ที่ผสมติดแม้อุณภูมิสูงมาก ในเวลากลางวัน หากใช้ประชากร 12,000 lines เดียวกันก็จะเป็นการเปรียบเทียบความทนทาน ความหนาว, สภาพขาดน้ำ และดินเค็ม และก็จะเป็นแนวทางการศึกษาเปรียบเทียบที่น่าสนใจ

กิจกรรมประกอบด้วยการคัดกรองสายพันธุ์กลายทนอากาศเย็นในระยะงอกและต้นกล้า กับระยะตั้งท้องออกรวงและสุกแก่ ในพื้นที่สถานีทดลองข้าวในมหาวิทยาลัยพะเยา อ.เมือง จ.พะเยา และคัดกรองสายพันธุ์กลายที่ทนสภาพขาดน้ำ และดินเค็มในระยะออกดอกในโรงเรือน ที่สามารถปรับควบคุมอุณหภูมิและจุลภูมิอากาศอื่น ๆ เพื่อควบคุมการปลูกข้าวในสภาพเครียดให้มีประสิทธิภาพ

ภาพแผนการปลูกข้าวเหลื่อมเวลาเพื่อคัดเลือกสายพันธุ์ที่ทนทานต่อสภาพขาดน้ำและดินเค็มในระยะสืบพันธุ์ จำนวน 12,000 สายพันธุ์ ซึ่งจะใช้เวลาอย่างน้อยประมาณ 9 เดือน  (6 crops) สำหรับแต่ละลักษณะ (สภาพขาดน้ำและดินเค็ม

กลุ่มวิจัยย่อยที่ 2 Functional Discovery

เป้าหมายสำหรับการเลือกใช้เทคโนโลยีในการค้นหายีนและสนิปท์ รวมถึงการพิสูจน์บทบาทหน้าที่ของยีน สามารถแบ่งออกได้สองระดับคือข้าวพันธุ์กลายที่พิสูจน์ทราบแล้ว (Previously identified mutants) ได้แก่ ข้าวพันธุ์กลายขึ้นน้ำฉับพลัน ข้าวพันธุ์กลายธาตุเหล็กสูงและทนทานต่อธาตุเหล็กเป็นพิษ  ข้าวพันธุ์กลายที่ลักษณะแป้ง ข้าวพันธุ์กลายที่ผสมเกสรติดได้ภายใต้อุณหภูมิสูง ที่ค้นพบแล้วจากโครงการเดิม แต่เนื่องจากยังไม่พบยีนที่ควบคุมที่สมบูรณ์ ดังนั้นจึงต้องดำเนินการต่อไปในโครงการนี้ ส่วนข้าวพันธุ์กลายเป้าหมายใหม่ (Newly Identified Mutants) ได้แก่ ข้าวพันธุ์กลายเป้าหมายที่ผสมเกสรติดภายใต้สภาพขาดน้ำ ดินเค็มและอากาศหนาว ที่ผ่านการพิสูจน์ทราบทางกายภาพจากโครงการย่อยที่ 1

ภาพเป้าหมายสำหรับการเลือกใช้เทคโนโลยีในการค้นหายีนและสนิปท์ รวมถึงการพิสูจน์บทบาทหน้าที่ของยีน สามารถแบ่งออกได้สองระดับขึ้นอยู่กับความชัดเจนในการพิสูจน์ทราบทางกายภาพมาแล้ว  ข้าวพันธุ์กลายที่พิสูจน์ทราบแล้ว (Previously identified mutants) ได้แก่ ข้าวพันธุ์กลายทนน้ำท่วมฉับพลัน, ทนอากาศร้อน, คุณภาพแป้งเปลี่ยนไป, ข้าวพันธุ์กลายธาตุเหล็กสูงและทนทานต่อธาตุเหล็กเป็นพิษ เป็นต้น ข้าวพันธุ์กลายเป้าหมายใหม่ (Newly Identified Mutants) ได้แก่ ข้าวพันธุ์กลายเป้าหมายที่มี ลักษณะทนแล้ง หนาว และเค็มเป็นต้น ที่ผ่านการพิสูจน์ทราบทางกายภาพจากโครงการย่อยที่ 1

กลุ่มวิจัยย่อยที่ 3 Gene Pyramiding

การผสมและคัดเลือกพันธุ์ข้าวนาชลประทานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม โดยใช้ข้าวปิ่นเกษตร+4 ซึ่งได้เพิ่มเติมความต้านทานโรคขอบใบแห้ง, เพลี้ยกระโดดสีน้ำตาล, ทนน้ำท่วมไปแล้ว (ทุน สวก.) เป็นสายพันธุ์รับในการปรับปรุงพันธุ์แบบผสมกลับ โดยเพิ่มเติมความทนร้อน, ทนหนาว, ทนสภาพขาดน้ำ ทนดินเค็ม ทนน้ำท่วมแบบขึ้นน้ำฉับพลัน ธาตุเหล็กสูง ทนธาตุเหล็กเป็นพิษเข้าไว้ในพันธุ์ปิ่นเกษตร+4

ผลที่คาดว่าจะได้รับ

ต้นแบบผลิตภัณฑ์ระดับภาคสนาม

ข้าวต้นแบบขึ้นน้ำฉับพลัน, ธาตุเหล็กสูงทนดินกรดจัด ข้าวทนร้อน หนาว แล้ง เค็ม ในระยะออกรวง และพันธุ์ข้าวที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมโดยการรวบยอดยีน น้ำ, เหล็ก, ร้อน, หนาว, แล้ง, เค็ม, โรค, แมลง และคุณภาพหุงต้ม

ต้นแบบเทคโนโลยี

Functional marker set ที่พัฒนาขึ้นใหม่ที่จำเพาะกับพันธุ์กลาย ที่อยู่ในเป้าหมายและทำให้การคัดเลือกมี ประสิทธิภาพอย่างชัดเจน

กระบวนการใหม่

• กระบวนการและวิถีควบคุมการทำงานของยีนที่เกี่ยวข้องความทนน้ำท่วมลึกและฉับพลัน, การควบคุมการผสมเกสรติดในข้าวภายใต้สภาวะโลกร้อน, การสร้างสารหอมในข้าว, การสังเคราะห์แป้ง
• กระบวนการรวบยอดยีน (Pyramiding) ที่มีประสิทธิภาพสูง

การใช้ประโยชน์เชิงสาธารณะ

ถ่ายทอดเทคโนโลยีการผลิตเมล็ดพันธุ์ข้าวต้นแบบ  และการปรับปรุงพันธุ์ข้าวที่มีประสิทธิภาพสูง

การพัฒนากำลังคน  

ผลิต นศ.ระดับปริญญาโท 6 คน, นศ.ระดับปริญญาเอก 3 คน และ นักวิจัยหลังปริญญาเอก 2คน

สิทธิบัตร/อนุสิทธิบัตร/ลิขสิทธิ์/เครื่องหมายการค้า

• ลิขสิทธิ์: Functional markers ที่จำเพาะกับการผสมเกสรติดภายใต้สภาวะโลกร้อน
• สิทธิบัตร เทคโนโลยี การปรับปรุงพันธุ์ข้าวให้ขึ้นน้ำได้อย่างฉับพลัน
• พันธุ์พืชใหม่ (PVP)

ทุนวิจัยแกนนำมีเป้าหมายในการทำงานวิจัยร่วมกับกลุ่มวิจัยอื่นๆ โดยเฉพาะในต่างประเทศ เพื่อจะพัฒนาให้องค์ความรู้ให้มีความลึกซึ้งในระดับนานาชาติ โดยทำงานร่วมกับกลุ่มวิจัยที่มีความเชี่ยวชาญในต่างประเทศ