Luận văn: Cơ sở di truyền tính chống chịu thiệt hại môi trường ở cây lúa

Nghiên cứu chi tiết cơ sở di truyền tính chống chịu thiệt hại môi trường cây lúa. Phân tích các gen kháng tính và giải pháp cải tạo giống lúa bền vững.

• Tác giả: Bùi Chí Bửu
• Trường học: Viện Lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long
• Chuyên ngành: Di truyền học
• Đề tài: Cơ sở di truyền tính chống chịu đối với thiệt hại do môi trường của cây lúa
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2003
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về cơ sở di truyền tính chống chịu cây lúa

Cây lúa là lương thực chính của hơn nửa dân số thế giới. Biến đổi khí hậu tạo ra nhiều thách thức nghiêm trọng. Hạn hán, mặn hóa, ngập úng gây thiệt hại lớn cho sản xuất. Hiểu cơ sở di truyền tính chống chịu là then chốt. Di truyền học phân tử mở ra hướng nghiên cứu mới. Phương pháp đánh dấu phân tử (marker) hỗ trợ xác định gen liên quan. QTL (Quantitative Trait Loci) là các vùng nhiễm sắc thể ảnh hưởng tính trạng số lượng. Nghiên cứu QTL giúp lập bản đồ gen chống chịu. Từ đó xây dựng cơ sở chọn giống hiệu quả. Giống lúa kháng chịu có năng suất ổn định hơn. Bà con nông dân giảm rủi ro mất mùa. An ninh lương thực được đảm bảo bền vững. Nghiên cứu di truyền tính chống chịu đóng vai trò nền tảng cho ngành lúa gạo hiện đại.

1.1. Khái niệm tính chống chịu ở cây lúa

Tính chống chịu là khả năng cây lúa sống sót dưới điều kiện bất lợi. Stress môi trường bao gồm mặn, hạn, lạnh, ngập. Cây có cơ chế tránh hoặc chịu đựng stress. Cơ chế tránh giúp cây thoát khỏi tác nhân gây hại. Cơ chế chịu đựng cho phép cây tồn tại khi stress diễn ra. Mỗi loại stress tác động lên sinh lý cây khác nhau. Tính chống chịu chịu kiểm soát bởi nhiều gen. Hiểu rõ khái niệm này là bước đầu trong nghiên cứu chọn giống kháng chịu.

1.2. Vai trò của di truyền học phân tử trong nghiên cứu chống chịu

Di truyền học phân tử giúp xác định vị trí gen trên nhiễm sắc thể. Công nghệ marker DNA tạo ra công cụ mạnh mẽ. RFLP, SSR, SNP là các loại marker phổ biến. Chúng liên kết với gen mục tiêu theo nguyên tắc di truyền liên kết. Khoảng cách di truyền giữa marker và gen đo bằng centiMorgan. Tần suất tái tổ hợp càng thấp thì liên kết càng chặt. Phương pháp này thay thế cách chọn giống truyền thống. Nghiên cứu phân tử rút ngắn thời gian tạo giống mới. Độ chính xác cao hơn so với phương pháp hình thái học.

II. Phân tích phương pháp xác định QTL chống chịu

Phương pháp phân tích QTL là trọng tâm của nghiên cứu. QTL định vị trên bản đồ di truyền nhờ marker liên kết. Có nhiều phương pháp phân tích khác nhau. Phép thử t đơn giản so sánh nhóm kiểu gen marker. Phân tích phương sai đánh giá ảnh hưởng marker lên tính trạng. Phương trình tuyến tính mô hình hóa mối quan hệ gen-hình. Phương pháp SMA (Single Marker Analysis) là bước khởi đầu. Mô hình tuyến tính Y = μ + f(marker) + ε được áp dụng rộng rãi. Giá trị Y là tính trạng mục tiêu của cá thể thứ j. μ là giá trị trung bình quần thể. Hàm f(marker) phản ánh ảnh hưởng kiểu gen marker. Sai số ε đại diện cho biến động ngẫu nhiên. Phương pháp này đơn giản nhưng hiệu quả cao. Phần mềm SAS hỗ trợ thiết lập mô hình phân tích. Kết quả chỉ ra vị trí và cường độ ảnh hưởng của QTL.

2.1. Phương pháp phân tích marker đơn SMA

Phân tích marker đơn kiểm tra từng marker riêng lẻ. Mô hình dựa trên hàm tuyến tính giữa marker và tính trạng. Quần thể hồi giao thường được sử dụng trong SMA. Bố mẹ thuần chéo AAQQ giao với aaqq tạo con lai F1. Con lai F1 giao ngược với aaqq tạo quần thể hồi giao. Tần suất kiểu gen phụ thuộc vào tần suất tái tổ hợp r. Giá trị r càng nhỏ thì liên kết càng chặt. SMA dễ thực hiện và tính toán nhanh. Tuy nhiên phương pháp này bỏ sót ảnh hưởng tương tác giữa các marker.

2.2. Phân tích QTL đa marker trên bản đồ di truyền

Phương pháp đa marker phân tích nhiều marker cùng lúc. Ảnh hưởng của marker liên kết trên cùng nhiễm sắc thể được đánh giá. Cách tiếp cận này nhạy hơn so với SMA. Bảng tổng hợp các đoạn nhiễm sắc thể điều khiển tính trạng. Bốn vùng C560-C747, R3156-C397, C1454-C397, G24-R1684 có ảnh hưởng ý nghĩa. Tính trạng SD được kiểm soát bởi nhiều đoạn trên nhiễm sắc thể số 2. Tính trạng RW liên quan đến đoạn trên nhiễm sắc thể số 3. Phương pháp đa marker cho kết quả toàn diện hơn.

III. Giải pháp ứng dụng chọn giống lúa chống chịu môi trường

Chọn giống hỗ trợ phân tử (MAS) là giải pháp tiên tiến. MAS sử dụng marker DNA để chọn cây mang gen mong muốn. Phương pháp này không cần chờ cây biểu hiện tính trạng. Thời gian chọn giống rút ngắn đáng kể. Chỉ cần phân tích DNA từ lá non là đủ. Cây mang allele chống chịu được chọn ngay từ giai đoạn sớm. Giống Tesanai 2 mang allele ký hiệu T có tính chống chịu cao. Giống CB mang allele ký hiệu C biểu hiện hướng kiểu hình khác. DPE (Direction of Phenotypic Effect) xác định xu hướng ảnh hưởng allele. Kết hợp nhiều QTL cải thiện hiệu quả chọn lọc. Chọn lọc tích lũy allele kháng từ nhiều nguồn gen khác nhau. Giống mới vừa kháng mặn vừa có năng suất cao. Ứng dụng MAS giúp nông dân tiếp cận giống tốt nhanh hơn. Chi phí sản xuất giảm, lợi nhuận tăng. Đây là hướng đi bền vững cho ngành lúa gạo.

3.1. Xây dựng giống lúa kháng mặn bằng marker phân tử

Kháng mặn là ưu tiên hàng đầu ở vùng ven biển. QTL liên quan đến kháng mặn được xác định trên nhiều nhiễm sắc thể. Các tính trạng mục tiêu bao gồm SD, RW, hàm lượng K+. Bảng tổng hợp cho thấy nhiều đoạn nhiễm sắc thể kiểm soát tính trạng SD. Tính trạng trọng lượng chồi và hàm lượng K+ chịu ảnh hưởng hẹp hơn. Chỉ một quãng của bản đồ di truyền tác động. Việc kết hợp các QTL kháng mặn cần kế hoạch lai tạo cẩn thận. Marker hỗ trợ theo dõi sự di truyền allele qua các thế hệ.

3.2. Chiến lược kết hợp nhiều tính trạng chống chịu

Lúa thường chịu nhiều loại stress đồng thời. Kết hợp kháng mặn và kháng hạn là cần thiết. Mỗi tính trạng liên quan đến tập QTL riêng. Một số vùng nhiễm sắc thể ảnh hưởng đồng thời nhiều tính trạng. Ví dụ C560-C747 tác động lên hai tính trạng mục tiêu cùng lúc. Đây là cơ hội chọn lọc tổng hợp hiệu quả. Nhà nghiên cứu cần xây dựng bản đồ QTL chi tiết. Chiến lược kim tự tháp (pyramiding) tích lũy allele ưu tú. Kết quả là giống đa kháng phục vụ sản xuất thực tế.

IV. Kết luận và triển vọng nghiên cứu di truyền lúa chống chịu

Nghiên cứu cơ sở di truyền tính chống chịu đã đạt tiến bộ lớn. Phương pháp QTL và marker DNA chứng minh hiệu quả. Nhiều vùng gen liên quan đến kháng mặn, hạn, lạnh được xác định. MAS trở thành công cụ chính trong chọn giống hiện đại. Tuy nhiên vẫn còn nhiều thách thức phía trước. Tương tác gen-môi trường phức tạp hơn dự đoán ban đầu. Ứng dụng thực tế đòi hỏi giống thích nghi rộng. Nghiên cứu cần mở rộng nguồn gen đa dạng. Bộ sưu tập giống bản địa chứa allele quý hiếm chưa được khai thác hết. Công nghệ giải trình tự thế hệ mới tăng tốc phát hiện gen. Chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 mở ra khả năng cải thiện tính chống chịu trực tiếp. Sự hợp tác giữa nhà nghiên cứu và nông dân là yếu tố quyết định. Triển vọng ngành lúa gạo bền vững phụ thuộc vào nghiên cứu di truyền học phân tử.

4.1. Hạn chế hiện tại của nghiên cứu QTL chống chịu

Nghiên cứu QTL vẫn đối mặt nhiều hạn chế. Quần thể ánh xạ có kích thước nhỏ thường bỏ sót QTL phụ. Hiệu ứng QTL phụ thuộc vào nền di truyền và môi trường. Kết quả từ phòng thí nghiệm chưa luôn áp dụng được ngoài đồng. Tương tác epistatic giữa các QTL phức tạp. Chi phí phân tích marker cao ở quy mô lớn. Cần phát triển marker giá rẻ, dễ sử dụng. Đào tạo nguồn nhân lực phân tử tại các viện nghiên cứu là cấp bách.

4.2. Triển vọng công nghệ mới trong chọn giống lúa

Giải trình tự toàn bộ genome giúp phát hiện gen mới nhanh chóng. Dữ liệu lớn (big data) hỗ trợ phân tích hàng nghìn mẫu cùng lúc. Học máy (machine learning) dự đoán kiểu hình từ dữ liệu gen. Công nghệ SNP chip tạo marker đồng nhất cho toàn genome. Chỉnh sửa gen CRISPR-Cas9 cho phép sửa đổi gen mục tiêu trực tiếp. Không cần thời gian lai tạo truyền thống nhiều thế hệ. Hiệp hội genome (GWAS) mở rộng quy mô nghiên cứu quần thể tự nhiên. Công nghệ mới rút ngắn chu kỳ tạo giống từ 10 năm xuống còn 3-5 năm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CẢI TIẾN GIỐNG CÂY TRỒNG CHỐNG CHỊU ĐIỀU KIỆN BẤT LỢI CỦA MÔI TRƯỜNG Diện tích đất trồng trọt trên thế giới chiếm 10% trong tổng số 13 tỉ ha. Trong đó, 11,5 triệu ha đất đang được canh tác được xem như không thuận lợi cho nông nghiệp (FAO 2002). Hầu hết đất trồng trọt được xếp vào nhóm dưới mức tối hảo cho cây trồng. Bên cạnh những thiệt hại do sâu bệnh gây ra, người ta ước đoán có 70% tiềm năng về năng suất bị mất đi do điều kiện bất lợi của môi trường, ngay cả trong những quốc gia có nền nông nghiệp phát triển (FAO 2002) Những thiệt hại do sâu bệnh gây ra được gọi với thuật ngữ "thiệt hại có tính chất sinh học" (biotic stresses).

Những thiệt hại do điều kiện bất lợi của môi trường, thí dụ như khô hạn, ngập úng, mặn, phèn, nóng, lạnh, v., được gọi với thuật ngữ "thiệt hại có tính chất không phải sinh học (abiotic stresses) Sự khan hiếm về nước tưới phục vụ cho nông nghiệp đã được báo động trong nhiều hội nghị khoa học của thế giới gần đây. Do sự thay đổi khí quyển với hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ của khí quyển ấm dần lên, băng tan ở hai cực sẽ tạo sự ngập lụt ở các vùng đất thấp (như đồng bằng sông Cửu Long). Như vậy, lũ lụt và sự xâm nhập mặn sẽ trở thành vấn đề lớn trong nhiều năm sau. Với tầm quan trọng như vậy, người ta đã hoạch định một thứ tự ưu tiên trong đầu tư nghiên cứu tính chống chịu khô hạn và chống chịu mặn trên toàn thế giới, trong lĩnh vực cải tiến giống cây trồng, sau đó là tính chống chịu lạnh, chống chịu ngập úng, chống chịu đất có vấn đề (acid, thiếu lân, độ độc sắt, độ độc nhôm, thiếu kẽm, Mg, Mn và một số chất vi lượng khác như Cu,…) 1-1.

KHÔ HẠN Khô hạn sẽ là yếu tố quan trọng bậc nhất ảnh hưởng đến an toàn lương thực của thế giới, và điều này đã từng xảy ra trong qúa khứ. Tài nguyên nước phục vụ cho nông nghiệp không phải vô tận, bên cạnh đó là áp lực dân số kèm theo sự phát triển đô thị, sự kiện ấy sẽ làm gia tăng nhu cầu nước phục vụ dân sinh và cho phát triển công nghiệp. Do đó, sự khan hiếm nước phục vụ nông nghiệp là vấn đề đang được dự báo rất cấp thiết trên qui mô toàn cầu. Hiện nay, nước phục vụ nông nghiệp chiếm 70% nguồn nước phục vụ dân sinh của toàn thế giới.

Muốn sản xuất được 1 kg thóc, người ta phải cần 5000 lít nước. Nhiều quốc gia như Ai Cập, Nhật Bản, Úc đã cố gắng cải tiến nhằm nâng cao hiệu qủa sử dụng nước, giảm xuống 1,3 m3 / kg thóc. Ở Trung Quốc, các nhà chọn giống đang thử nghiệm mô hình cây lúa canh tác trên đất thoáng khí, với thuật ngữ "aerobic rice", không phải như cây lúa ngập nước truyền thống. Bộ rễ lúa sẽ phát triển như cây trồng cạn, với chế độ tưới cải tiến, nhằm tiết kiệm nước tối đa.

Hạn hán được xem như một trong những hậu qủa nghiêm trọng do sự suy giảm của nguồn nước. Do vậy, người ta đã qui định ngày 22 tháng 3 hàng năm là Ngày NướcThế Giới. Hiện nay, mức đảm bảo nước trung bình cho một người trong một năm đã giảm từ 12.800 m3 / người vào năm 1990 xuống còn 10.900 m3 / người vào năm 2000 và có khả năng chỉ còn khoảng 8.500 m3 / người vào năm 2020. Theo Hội Nước QuốcTế (IWRA), tiêu chuẩn công nhận quốc gia có mức bảo đảm nước cho một người < 4000 m3 / năm, được xem như thiếu nước, và < 2000 m3 / năm, thuộc loại hiếm nước.

Kết qủa đánh giá của chương trình KC12 ở Việt Nam cho thấy: tổng lượng nước cần dùng cả năm của nước ta chiếm 8,8% tổng lượng dòng chảy, năm 1999, tăng lên 12,5% trong năm 2000, và được dự báo sẽ tăng 16,5% vào năm 2010. Tổng lượng nước phục vụ tưới trong nông nghiệp của Việt Nam: 41 km3 năm 1985, tăng lên 46,9 km3 năm 1999, và 60 km3 năm 2000. Lượng nước cần dùng cho mùa khô sẽ tăng lên 90 km3 vào năm 2010, chiếm 54% tổng lượng nước có thể cung cấp. Xét trên qui mô toàn cầu, nhiệt độ trái đất nóng lên sẽ có khả năng làm mất 1/3 nguồn nước đang sử dụng của thế giới trong 20 năm tới, như dự báo của Liên Hợp Quốc.

Khủng hoảng thiếu nước trên thế giới hiện nay được nhận định không chỉ do nước qúa ít so với nhu cầu mà còn do quản lý nguồn nước qúa kém. Hàng năm có 2,2 triệu người chết do các căn bệnh liên quan đến nguồn nước ô nhiễm và điều kiện vệ sinh kém, với 12.000 km3 nước sạch hiện bị ô nhiễm nghiêm trọng. Do đó, từ năm 2000 trở đi, các dự án quốc tế về nông nghiệp thuộc hệ thống CGIAR đã nhấn mạnh đến giống cây trồng chống chịu khô hạn, nước sạch cho nông thôn, đô thị, xem những nội dung này là một ưu tiên đặc biệt. Các trung tâm nghiên cứu trên thế giới được FAO phân công phụ trách những cây trồng liên quan đến chống chịu khô hạn là: • IITA phụ trách nghiên cứu đậu cowpea ở Sahel, đậu tương và ngô ở Dry Savana • ICRISAT phụ trách nghiên cứu cao lương, kê, đậu chickpea, đậu phụng và đậu pigeon pea ở Ấn Độ và Sahel • CIAT phụ trách nghiên cứu các loại đậu ở Mexico, Trung Mỹ và Đông bắc Brazil • IRRI phụ trách nghiên cứu lúa ở Bangladesh, Đông Ấn Độ, Thái Lan và Indonesia • CIP phụ trách nghiên cứu khoai tây ở Trung Quốc.

Ấn Độ, Nam Phi, Kazakhstan, Afghanistan • CIMMYT phụ trách nghiên cứu lúa mì ở Trung Á, Tây Á, Bắc Phi, cây ngô ở vùng cận Sahara 1-2. ĐẤT MẶN Đất trồng trọt bị ảnh hưởng mặn ước khoảng 380 triệu ha, chiếm 1/3 đất trồng trên toàn thế giới. Nó thường đi kèm theo hiện tượng đất kiềm và ngập nước (Gale 2002). Trong đó, 60 triệu ha là đất mặn do thủy cấp đưa mặn lên đất mặt, người ta thường dùng thuật ngữ "inland salinity".

Hiện tượng này do thiếu nước tưới, làm đất trở nên mặn hóa ở Châu Á, Châu Phi và Nam Mỹ. Các trung tâm nghiên cứu trên thế giới được FAO phân công phụ trách những cây trồng liên quan đến chống chịu mặn là: • IRRI phụ trách nghiên cứu lúa vùng ven biển ở Bangladesh, Orissa, Việt Nam, Philippines, vùng mặn trong đất liển ở châu thổ sông Hằng (Ấn Độ) và vùng Đông bắc Thái Lan • ICARDA phụ trách nghiên cứu lúa ở Trung Á 1-3. ĐẤT ACID & ĐẤT BẠC MÀU Đất acid chiếm 40% diện tích đất trồng trọt trên toàn thế giới, với pH < 5, trong đó yếu tố hạn chế chủ yếu cho cây trồng là hàm lượng cao của nhôm và manganese. Vấn đề này đặc biệt quan trọng tại Nam Mỹ (380 triệu ha), bao gồm khu vực châu thổ sông Amazone.

Yếu tố hạn chế do hàm lượng sắt cao, gây độc cho cây được ghi nhận ở Tây Phi. Đất phèn ở Việt Nam và Thái Lan thuộc nhóm khác, rất đặc biệt, bởi vì độc chất thuộc hợp chất sulfate sắt, nhôm, cộng thêm hiện tượng thiếu lân, pH thấp, và rất giàu hữu cơ. Các trung tâm nghiên cứu trên thế giới được FAO phân công phụ trách những cây trồng liên quan đến chống chịu đất acid và bạc màu là: • IITA phụ trách nghiên cứu đậu cowpea, đậu tương ở vùng rừng ẩm ướt • CIAT phụ trách nghiên cứu các loại đậu ở Châu Phi, Châu Phi La Tinh • IRRI phụ trách nghiên cứu lúa ở Bangladesh, Indonesia, Philippines • CIMMYT phụ trách nghiên cứu ngô ở Châu Mỹ La Tinh, Đông Nam Á và Châu Phi, phụ trách nghiên cứu lúa mì ở CWANA 1-4. NHIỆT ĐỘ LẠNH & NHIỆT ĐỘ NÓNG Nhiệt độ qúa nóng hoặc qúa lạnh sẽ làm hạn chế tiềm năng phát triển của cây trồng.

Hiện nay, 70% vùng đất trồng khoai tây của thế giới có khả năng bị rủi ro do nhiệt độ lạnh. Cây lúa trồng ở Hàn Quốc, Nepal thường bị thiệt hại do lạnh Các trung tâm nghiên cứu trên thế giới được FAO phân công phụ trách những cây trồng liên quan đến chống chịu nhiệt độ bất thuận là: • CIP phụ trách nghiên cứu khoai tây chịu lạnh ở Andes, chịu nóng ở Nam Á • ICARDA phụ trách nghiên cứu lúa mạch, đậu chickpea, cây gai chịu lạnh • IITA phụ trách nghiên cứu đậu cowpea chịu nóng ở Sahel 1-5. BẢN ĐỒ GEN & SỰ PHÁT TRIỂN MARKER PHỤC VỤ PHÂN TÍCH DI TRUYỀN Bản đồ gen là yêu cầu trước hết cho phân tích di truyền tính trạng chống chịu các thiệt hại không phải sinh học, đồng thời nó cũng là tiêu chuẩn trong chọn giống cây trồng hiện đại. Nhóm Tư Vấn về Nghiên Cứu Nông Nghiệp Quốc Tế (CGIAR) của FAO đã chỉ đạo các Viện, Trung Tâm trực thuộc, hoàn thành các bản đồ ở mức độ phân tử đối với những loại cây trồng chính.

Trong đó, có những công trình mang tính chất hợp tác quốc tế rất rộng như: bản đồ gen cây lúa, lúa mì, khoai tây có thể được sử dụng phổ biến. Những bản đồ căn bản đối với cây trồng có mức độ phổ biến thấp cũng được xem xét, và được sự phân công của CGIAR, tuy rằng chúng có tính chất quốc tế hóa rất thấp. Chỉ còn một vài loài chưa được xây dựng bản đồ. Bản đồ di truyền (genetic map) còn được hiểu như bản đồ liên kết (linkage map) giữa marker và gen mục tiêu.

Bên cạnh đó, người ta đã thực hiện những hợp phần quan trọng để xây dựng bản đồ vật lý (physical map) của những gen này. Kỹ thuật xây dựng bản đồ đối với tính trạng số lượng (QTL) thường có rất ít thông tin về sự kiểm soát của gen, bởi vì nó dựa trên những giả định có tính chất toán học. Nhưng nó vô cùng quan trọng, vì hầu như các tính trạng chống chịu với "stress" đều yêu cầu "QTL mapping". Người ta cần phải quét từ đầu đến cuối bộ genome với những marker bao phủ toàn bộ các nhiễm sắc thể, với mật độ trung bình 10cM giữa 2 marker.

Thông qua đó, người ta xác định những khu vực giả định có chứa các gen điều khiển tính trạng số lượng mà ta đang nghiên cứu. Người ta phải dựa trên cơ sở biến động của tính trạng kết hợp với sự thay đổi của marker tương ứng. Mật độ marker càng dày đặc, càng tốt cho sự giả định, với mức độ chính xác cao, trên một quần thể con lai nào đó đang được sử dụng để phân tích di truyền.