2. โครงการวิจัย “ฟิสิกส์นวัตกรรมด้วยลำไอออนพลังงานต่ำสำหรับการปรับปรุงพันธุ์ข้าวคุณภาพ”

 

        ในความพยายามแก้ปัญหาของการทำนาในประเทศไทย ไม่ว่าจะเป็นการพยายามลดต้นทุนการปลูกข้าวของชาวนาด้วยการลดค่าใช้จ่ายในการใช้ปุ๋ยและสารป้องกันกำจัดโรคและแมลง หรือการพยายามเพิ่มมูลค่าของข้าวด้วยการแปรรูปเป็นผลิตภัณฑ์ต่างๆ ปัจจัยพื้นฐานสำคัญที่มิอาจมองข้ามได้เลยก็คือต้องเริ่มต้นจากพันธุ์ข้าวคุณภาพดีคือพันธุ์ข้าวที่มีคุณลักษณะสำคัญๆเช่นให้ผลผลิตสูง ไม่ไวต่อช่วงแสง (ปลูกได้หลายครั้ง / ปี) ลำต้นแข็งแรงและต้นไม่สูงเกินไป ทนโรคและแมลงที่ก่อให้เกิดความเสียหายในระดับเศรษฐกิจ และจะเป็นการดียิ่งขึ้น ถ้าเสริมด้วยคุณลักษณะพิเศษด้านความหอม (มีสาร 2-Acetyl-1-pyrroline หรือ 2-AP) และ สารต้านอนุมูลอิสระ (antioxidant) คือมีสาร Anthocyanin และ Gamma-oryzanol และสารที่มีประโยชน์ต่อการทำงานของระบบประสาทและสมองเช่นสาร GABA (Gamma Amino Butyric Acid) เพราะมีความสำคัญอย่างมากกับการนำไปทำเป็นสินค้าพรีเมี่ยม
        ในปัจจุบันข้าวเหนียว กข6 ที่มีกลิ่นหอมและมีคุณภาพการหุงต้มดีเด่น \และข้าวสังข์หยดพัทลุง ข้าวเจ้าสีแดงที่อุดมด้วยสารอาหารที่มีประโยชน์ต่อร่างกายเช่น สาร Anthocyanin และ Niacin (วิตามิน B3 ) และแร่ธาตุเช่นเหล็กและสังกะสี [1] กำลังเป็นที่นิยมและมีราคาขายในท้องตลาดที่สูงคือ 35 บาท / กิโลกรัม และ 83 บาท / กิโลกรัม (ข้าวกล้อง)ตามลำดับ แต่ข้าวทั้ง 2 สายพันธุ์นี้มีสมบัติที่เป็นข้อจำกัดหลายประการ จนทำให้มีปริมาณผลผลิตไม่เพียงพอต่อความต้องการของผู้บริโภคทั้งภายในและนอกประเทศ เช่นข้าว กข6 ให้ผลผลิตต่ำ (เฉลี่ย 300-400 กิโลกรัม / ไร่) มีลำต้นที่สูง (ประมาณ 154 เซนติเมตร) และอ่อนแอ ต้นข้าวมักล้มจากลมประจำฤดูก่อนการเก็บเกี่ยว ทำให้ไม่สามารถเก็บเกี่ยวด้วยเครื่องจักรกล ต้องใช้แรงงานคน ส่งผลให้ต้นทุนการเพาะปลูกสูง นอกจากนี้ยังไวต่อช่วงแสง ปลูกได้เพียงปีละครั้ง ช่วงเดือนกรกฎาคม-ธันวาคม และไม่ต้านทานต่อโรคและแมลงศัตรูข้าวที่สำคัญที่ก่อให้เกิดความเสียหายในระดับเศรษฐกิจเช่นโรคไหม้และเพลี้ยกระโดดสีน้ำตาล ดังนั้นจึงพบปัญหาเกษตรกรใช้สารเคมีกำจัดแมลงมากเกินความจำเป็น ส่งผลให้จำนวนของผู้ป่วยและผู้เสียชีวิตจากการใช้สารเคมีทางการเกษตรสูงขึ้นทุกๆปี [2] และยังส่งผลให้เกิดการทำลายความหลากหลายทางชีวภาพของผืนนาและเป็นผลร้ายต่อสิ่งแวดล้อม ส่วนข้าวสังข์หยดพัทลุงก็ให้ผลผลิตต่ำเช่นกันคือเฉลี่ย 330 กิโลกรัม / ไร่ มีลำต้นสูงเกือบ 2 เมตร (tall varieties) จึงไม่ตอบสนองต่อปุ๋ยในด้านการเพิ่มผลผลิต อีกทั้งยังไวต่อช่วงแสงมาก จึงปลูกได้เฉพาะนาปีเพียงปีละครั้ง นอกจากนั้น การที่มีอายุการเก็บเกี่ยวนานถึง 6 เดือน ทำให้เก็บเกี่ยวได้ทีหลังข้าวสายพันธุ์อื่นๆ จึงมีโอกาสสูงที่จะถูกรุมกระหน่ำด้วยปัญหาจากทั้งนกและหนู
        โครงการวิจัยนี้มีเป้าหมายในการปรับปรุงข้าวทั้งสองสายพันธุ์ด้วยการใช้ลำไอออนที่ผลิตจากเครื่องเร่งอนุภาคขนาดกะทัดรัดที่สร้างขึ้นเอง ชักนำให้ข้าวเกิดการกลายพันธุ์ซึ่งเป็นเทคนิคที่คิดค้นพัฒนาขึ้นเองสำเร็จเป็นรายแรกๆของโลก[3] โดยวิธีนี้สามารถลดระยะเวลาจากการปรับปรุงพันธุ์ข้าวลงอย่างน้อย 2 เท่าเมื่อเปรียบเทียบกับการผสมแบบข้ามต้น เนื่องจากการปรับปรุงพันธุ์โดยการชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ใช้ระยะเวลาเพียง 5 รุ่น ขณะที่การปรับปรุงพันธุ์โดยการผสมแบบข้ามต้นใช้เวลาอย่างน้อย 10 รุ่น อีกทั้งยังสามารถลดระยะเวลาในการปรับปรุงพันธุ์เหลือเพียง 2 ปีครึ่ง หากข้าวพันธุ์กลายมีคุณสมบัติไม่ไวต่อช่วงแสง ดังนั้นการปรับปรุงพันธุ์โดยวิธีการใหม่นี้สามารถลดต้นทุนการปรับปรุงพันธุ์ข้าวได้มหาศาลและสามารถตอบสนองความต้องการเร่งด่วนของชาวนาได้ในเวลาจำกัด การปรับปรุงข้าวทั้งสองสายพันธุ์ดังกล่าวมีเป้าหมายคัดเลือกสายพันธุ์ข้าวพันธุ์กลายที่มีคุณภาพการหุงต้มใกล้เคียงหรือเทียบเท่าพันธุ์ดั้งเดิม (wild type) แต่มีลักษณะดีในด้านต่างๆที่สำคัญได้แก่การไม่ไวต่อช่วงแสง ต้นเตี้ยปานกลางและลำต้นแข็งแรง ตอบสนองต่อปุ๋ย การแตกกอและจำนวนรวงต่อกอสูง ต้านทานต่อโรคและแมลงศัตรูข้าวที่สำคัญที่ก่อให้เกิดความเสียหายในระดับเศรษฐกิจ ซึ่งจะทำให้ได้ข้าวสายพันธุ์กลายที่ให้ผลผลิตในระดับ 600-900 กิโลกรัม / ไร่

 



รูปที่ 2.1 แปลงทดลองของโครงการฯที่ อ. สันทราย จ. เชียงใหม่

 

         ปัจจุบันทีมวิจัยได้พัฒนาข้าว กข6 พันธุ์กลายและข้าวสังข์หยดพันธุ์กลายที่มีคุณลักษณะดังกล่าวข้างต้นได้แล้วจำนวน 103 สายพันธุ์โดยข้าวพันธุ์กลายทั้งหมดเป็นข้าวที่มีความเหมือนหรือมีความคล้ายคลึงกันทางพันธุกรรมที่แสดงถึงการเป็นสายพันธุ์ที่มาจากข้าว กข6 และสังข์หยดจริง ซึ่งยืนยันจากแถบดีเอ็นเอแถบหลักที่ตรงกัน (specific หรือ unique DNA band) ที่วิเคราะห์โดยใช้เทคนิค Microsatellite marker จากข้าวเหล่านี้ได้คัดเลือกข้าวคุณภาพพิเศษที่มีศักยภาพเหมาะสมกับการนำไปต่อยอดเชิงพาณิชย์ไว้จำนวน 19 สายพันธุ์ได้แก่
ก) ข้าวเหนียวหอมคุณภาพ จากข้าว กข6 จำนวน 2 สายพันธุ์ คือ MRD6-11 และ MRD6-12 (รูปที่ 2.2)
ข) ข้าวเจ้าหอมคุณภาพ จากข้าว กข6 จำนวน 3 สายพันธุ์คือ MRD6-17, MRD6-19 และ MRD6-27(รูปที่ 2.2) และจากข้าวสังข์หยดพัทลุง 3 สายพันธุ์คือ MSY-1-1, MSY-1-3 และ MSY-2-1 (รูปที่ 2.3)
ค) ข้าวเฉดสีคุณภาพ 12 สายพันธุ์ได้แก่
      ค.1) ข้าวเจ้าก่ำ 6 สายพันธุ์ ที่พัฒนาจากข้าว กข 6 จำนวน 2 สายพันธุ์คือ OSRD6-4 และ OSRD6-14 และที่พัฒนาจากข้าวสังข์หยดพัทลุง จำนวน 4 สายพันธุ์ คือ OSSY-3, OSSY-8, OSSY-17 และ OSSY-25 (รูปที่ 2.4)
      ค.2) ข้าวสังข์หยดพันธุ์กลายที่มีลักษณะเมล็ดและสีเมล็ด เหมือนหรือใกล้เคียงกับพันธุ์ดั้งเดิม (สีแดง) แต่เป็นข้าวไม่ไวต่อช่วงแสง ต้นเตี้ยลง อายุสั้นลง และให้ผลผลิตสูงกว่าเดิม จำนวน 5 สายพันธุ์ คือ OSSY-14, PISY-1, PISY-2, PISY-3, และ PISY-4 (รูปที่ 2.5 และ รูปที่ 2.6)

 

        สายพันธุ์ข้าวพันธุ์กลายดังกล่าวแสดงให้เห็นว่าการชักนำให้กลายพันธุ์ด้วยเทคโนโลยีลำไอออนพลังงานต่ำทำให้เกิดการกลายพันธุ์ที่มีลักษณะหลากหลายในข้าวต้นเดียวกัน (broad spectrum of mutation phenotypes) เช่น ต้นเตี้ยลง ไม่ไวต่อช่วงแสง มีการแตกกอและมีจำนวนรวงต่อกอมากขึ้น ต้านทานต่อโรคและแมลง การเปลี่ยนสีเมล็ดของข้าวกล้อง (ข้าวขาว, ข้าวก่ำ หรือข้าวแดง) การเปลี่ยนแปลงสัดส่วนและปริมาณของ Amylose และ Amylopectin (ข้าวเหนียวหรือข้าวเจ้า) เป็นต้น ดังนั้นเทคโนโลยีนี้จึงเป็นเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเทคนิคที่ใช้รังสีแกมมา (gamma ray) จากสารไอโซโทปกัมมันตรังสี ซึ่งนิยมใช้ในการปรับปรุงพันธุ์ข้าวมาก่อนอย่างเทียบกันไม่ได้

 



รูปที่ 2.2 ข้าวเหนียวหอมคุณภาพและข้าวเจ้าหอมคุณภาพที่พัฒนาจากข้าว กข6 (กระถางแรกด้านซ้ายมือ) โดยการชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ด้วยลำไอออนพลังงานต่ำ ตัวเลขบรรทัดล่างสุดคือปริมาณสารหอมที่วัดโดยเทคนิค Headspace – gas chromatography (HS-GC) และมีตัวตรวจวัดเป็น Nitrogen-phosphorus detector (NPD) ต้นข้าวทั้งหมดนี้นำมาใส่ในกระถางเพื่อการเปรียบเทียบเท่านั้น โดยขุดมาจากที่นาแปลงเดียวกัน ปลูกพร้อมกันด้วยเงื่อนไขการเพาะปลูกเหมือนกัน



รูปที่ 2.3 ข้าวเจ้าหอมคุณภาพที่พัฒนาจากข้าวสังข์หยดพัทลุง (กระถางแรกด้านซ้ายมือ) โดยการชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ด้วยลำไอออนพลังงานต่ำ
ข้าวสังข์หยดพัทลุงเป็นข้าวเฉดสี (colored rice หรือ pigmented rice) ชนิดหนึ่ง โดยมีสีแดง แต่ไม่มีสารหอม




รูปที่ 2.4 ข้าวเจ้าก่ำคุณภาพ 6 สายพันธุ์ที่พัฒนามาจากข้าวเหนียวหอม กข6 (กระถางแรกด้านซ้ายมือ) และข้าวสังข์หยดพัทลุง (กระถางสุดท้ายด้านขวามือ)
โดยการชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ด้วยลำไอออนพลังงานต่ำ ข้าวก่ำหมายถึงเมล็ดข้าวมีสีม่วงเข้มจนเห็นเหมือนเป็นสีดำ ซึ่งจะมีปริมาณสาร Anthocyanin
สูงกว่าข้าวสีแดงหรือน้ำตาล




รูปที่ 2.5 ข้าวสังข์หยดพันธุ์กลาย (กระถางขวามือ) ที่พัฒนาจากข้าวสังข์หยดพัทลุง (กระถางซ้ายมือ) โดยการชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ด้วยลำไอออนพลังงานต่ำ ข้าวเจ้าแดง OSSY-14 ให้เมล็ดข้าวมีสีแดงคล้ายคลึงกับข้าวสังข์หยดพัทลุงที่เพาะปลูกพร้อมกันและด้วยเงื่อนไขการเพาะปลูกเดียวกัน ข้าวพันธุ์กลายออกรวงเร็วกว่าและต้นเตี้ยกว่า นอกจากข้าวสายพันธุ์กลายนี้จะไม่ไวต่อช่วงแสง ยังมีอายุการเก็บเกี่ยวสั้นลงกว่าสายพันธุ์ดั้งเดิมมาก



รูปที่ 2.6 เปรียบเทียบความสูงของข้าวสังข์หยดพันธุ์กลายที่พัฒนาต่อจากข้าวเจ้าแดง OSSY-14 ใน รูปที่ 2.5 โดยการชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์ด้วยลำไอออนพลังงานต่ำเพื่อให้ได้สายพันธุ์กลายที่เตี้ยกว่าเดิมและมีอายุการเก็บเกี่ยวใกล้เคียงกับข้าวทั่วไป

 

         ปัจจุบันทีมงานวิจัยของโครงการฯกำลังพัฒนาข้าวที่มีโปรวิตามินเอและข้าวที่มีอายุการเก็บรักษายาวนานจากข้าวไทย โดยทีมงานวิจัยพบข้าวป่า 3 สายพันธุ์ ที่มี Beta-carotene สูงโดดเด่นจากข้าวป่าสายพันธุ์อื่นอย่างชัดเจน และข้าวขาวดอกมะลิ 105 พันธุ์กลาย HyKOS21 ที่มีการแสดงออกเฉพาะยีน LOX-3 มีอายุการเก็บรักษานานที่สุด (ร้อยละการงอกสูงที่สุด แต่ lipid peroxidation ต่ำที่สุด) ทั้งในสภาวะการเก็บรักษาปกติหรือสภาวะการเก็บรักษาแบบเร่ง เมื่อเปรียบเทียบกับข้าว 5 สายพันธุ์ (ข้าวขาวดอกมะลิ 105, ข้าวปทุมธานี 1, ข้าวชัยนาท 1, ข้าว กข6 และข้าวไร่) ที่มีการแสดงออกของยีน LOX-1, LOX-2 และ LOX-3 หรือกับข้าว 2 สายพันธุ์ (ข้าวสันป่าตอง 1 และข้าว กข10) ที่มีการแสดงออกของยีน LOX-1 และ LOX-3 ดังนั้นจึงนำข้าวดังกล่าวมาขยายพันธุ์ในฤดูนาปี 2559 เพื่อนำเมล็ดไปใช้ในการพัฒนาพันธุ์ข้าวที่มีโปรวิตามินเอและข้าวพันธุ์กลายที่มีคุณภาพพิเศษที่มีอายุการเก็บรักษานานโดยชักนำให้เกิดการกลายพันธุ์โดยใช้ลำไอออนพลังงานต่ำในฤดูนาปรัง 2560

 

 

เอกสารอ้างอิง

[1] ผาณิต รุจิรพิสิฐ, วิชชุดา สังข์แก้ว และ เสาวนีย์ เอี้ยวสกุลรัตน์, “คุณค่าทางโภชนาการของข้าว 9 สายพันธุ์” Agricultural Sci. J. 43(2) (Suppl.), 2012, 173-176, (ที่มา www.crdc.kmutt.ac.th/Data%202012/CRDC6/data/173-176.pdf).
[2] สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ (วช.), “ยุทธศาสตร์การวิจัย (พ.ศ. 2555-2559) : ภาคเหนือ ”, พ.ศ. 2554.
[3] S. Singkarat, A. Wijaikhum, D. Suwannakachorn, U. Tippawan, S. Intarasiri, D. Bootkul, B. Phanchaisri, J. Techarung, M.W. Rhodes, R. Suwankosum, S. Rattanarin, L.D. Yu, “A Simple Ion Implanter for Material Modifications in Agriculture and Gemology”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research - Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 365-Part A (2015) 414-418.

 

หัวหน้าโครงการ : รองศาสตราจารย์ ดร.เหลียงเติ้ง ยู1)

 

นักวิจัยสมทบ : ดร.บุญรักษ์ พันธ์ไชยศรี2), ดร.จิรณัทฐ์ เตชะรัง1,*), ผศ. ดร.อุดมรัตน์ ทิพวรรณ3), ดร.ฉวีวรรณ พันธ์ไชยศรี4), ดร.นวลอนงค์ เสมสังข์5)

 

หน่วยงานต้นสังกัด : 1) ศูนย์ความเป็นเลิศด้านฟิสิกส์, 2) สถาบันวิจัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 3) ภาควิชาฟิสิกส์และวัสดุศาสตร์ คณะวิทยาศาสตร์ มหาวิทยาลัยเชียงใหม่, 4) คณะวิศวกรรมศาสตร์และอุตสาหกรรมเกษตร มหาวิทยาลัยแม่โจ้, 5) ภาควิชาชีววิทยา คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏเชียงใหม่, *) นักวิจัยหลังปริญญาเอก

 

Back