Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cây bông (Gossypium spp.) là cây lấy sợi tự nhiên quan trọng hàng đầu của ngành công nghiệp dệt may toàn cầu. Hàng năm, cây bông được canh tác trên diện tích khoảng 30–35 triệu ha tại hơn 80 quốc gia, cung cấp khoảng 120 triệu kiện bông xơ với giá trị đóng góp cho nền kinh tế thế giới ước tính khoảng 500 tỉ USD. Trong công tác chọn tạo giống bông, việc nâng cao năng suất và cải thiện chất lượng xơ luôn là hai mục tiêu song hành. Tuy nhiên, các nhà chọn giống gặp phải rào cản lớn do cơ sở di truyền của các giống bông trồng trọt khá hẹp và tồn tại mối tương quan nghịch giữa năng suất bông xơ với phẩm chất xơ.

Tại Việt Nam, mặc dù ngành dệt may là ngành xuất khẩu chủ lực, nguồn nguyên liệu sợi bông nội địa chỉ đáp ứng dưới 2% nhu cầu sản xuất, phụ thuộc hơn 98% vào nhập khẩu. Diện tích canh tác bông trong nước sụt giảm nghiêm trọng từ đỉnh điểm 28.000 ha vào năm 2004 xuống còn 9.600 ha (năm 2012) và giảm xuống dưới 3.000 ha (đạt 2.700 ha vào năm 2014). Năng suất bông xơ trong nước ở mức thấp và trì trệ (đạt mức 0,53 tấn/ha vào năm 2010 và dao động quanh mức 0,46 tấn/ha trong giai đoạn 2012–2014). Nguyên nhân chính là do các giống bông thương phẩm hiện hành có năng suất chưa cao, chất lượng xơ chưa đáp ứng tiêu chuẩn công nghiệp dệt hiện đại, khả năng chống chịu điều kiện ngoại cảnh hạn chế. Trong khi đó, các nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học và chỉ thị phân tử trên cây bông tại Việt Nam còn rất hạn chế so với các cây trồng khác. Trước thời điểm nghiên cứu này, các nghiên cứu di truyền phân tử trong nước chủ yếu mới tập trung trên cây bông Cỏ lưỡng bội (Gossypium arboreum) để tìm gen kháng bệnh, chưa có công trình nào xây dựng bản đồ liên kết di truyền và lập bản đồ QTL kiểm soát chất lượng xơ trên hệ gen tứ bội (Gossypium hirsutum và Gossypium barbadense).

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu chung: Xác định được các chỉ thị phân tử SSR liên kết gần với các QTL (Quantitative Trait Locus) kiểm soát chất lượng xơ và định hướng ứng dụng trong công tác chọn tạo giống bông có chất lượng xơ tốt, năng suất cao tại Việt Nam.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Xác định đa dạng di truyền ở mức độ hình thái và mức độ phân tử của các nguồn gen bông hiện có tại Việt Nam.
    • Xây dựng bản đồ liên kết di truyền các locus SSR trên hệ gen cây bông tứ bội ở Việt Nam.
    • Xây dựng bản đồ QTL kiểm soát các tính trạng chất lượng xơ và xác định các chỉ thị SSR liên kết gần, từ đó định hướng chọn lọc các dòng bông tứ bội có chất lượng xơ tốt và năng suất cao.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: 32 mẫu giống bông thuộc tập đoàn giống của Viện Nghiên cứu Bông và Phát triển Nông nghiệp (PTNN) Nha Hố (gồm 11 giống bông Luồi G. hirsutum, 10 giống bông Hải đảo G. barbadense, 11 giống bông Cỏ G. arboreum); quần thể con lai F2 và các dòng lai trở lại thế hệ BC4F2 từ tổ hợp lai giữa giống bông Luồi L591 và giống bông Hải đảo HD138; 746 cặp mồi chỉ thị phân tử SSR.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm, hệ thống nhà lưới, nhà kính và ruộng thực nghiệm của Viện Di truyền Nông nghiệp (Hà Nội) và Viện Nghiên cứu Bông và PTNN Nha Hố (Ninh Thuận).
  • Phạm vi thời gian: Các thí nghiệm được triển khai trong giai đoạn từ năm 2010 đến năm 2014.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

  1. Tiến hóa, phân loại và nguồn gen cây bông: Chi Gossypium gồm khoảng 50 loài, trong đó có khoảng 45 loài lưỡng bội (2n = 26, hệ gen từ A đến G và K) và 5 loài dị tứ bội (2n = 4x = 52, hệ gen AD). Bốn loài được thuần hóa lấy sợi gồm hai loài lưỡng bội (G. arboreum, G. herbaceum) và hai loài dị tứ bội (G. hirsutum, G. barbadense). Các nghiên cứu của Kebede và cs. (2007), Rahman và cs. (2008), Kantartzi và cs. (2009) đã ghi nhận khoảng cách di truyền ở các loài bông lưỡng bội hệ gen A dao động từ 0,02 đến 0,53. Đối với bông tứ bội, các công trình của Boopathi và cs. (2008), De Almeida và cs. (2009), Sun và cs. (2009), He và cs. (2010) đã làm rõ đặc điểm đa hình và sự thu hẹp nền di truyền do các sự kiện thuần hóa.
  2. Kỹ thuật chỉ thị phân tử và cơ sở dữ liệu: Các hệ thống chỉ thị phân tử RFLP, RAPD, AFLP và SSR đã được phát triển để phân tích hệ gen bông. Trong đó, SSR thể hiện tính đồng trội, đa alen, phân bố rộng và độ lặp lại cao (Reddy và cs. 2001, Nguyen và cs. 2004, Han và cs. 2006). Cơ sở dữ liệu chỉ thị cây bông (Cotton Marker Database - CMD) và CottonGen đã tích hợp hàng chục nghìn chỉ thị SSR phục vụ nghiên cứu lập bản đồ.
  3. Bản đồ liên kết di truyền và QTL chất lượng xơ trên thế giới: Bản đồ liên kết đầu tiên sử dụng RFLP được công bố bởi Reinisch và cs. (1994) với 705 chỉ thị. Tiếp đó, các bản đồ liên kết mật độ cao sử dụng SSR và các chỉ thị phối hợp được thiết lập bởi Rong và cs. (2004), Song và cs. (2005), Park và cs. (2005), Guo và cs. (2007), Yu và cs. (2007), He và cs. (2007). Các nghiên cứu xác định QTL chất lượng xơ được triển khai trên nhiều dạng quần thể như F2, BC, RIL, BIL, NAM bởi Lacape và cs. (2005), Shen và cs. (2005, 2007), Wu và cs. (2009), Chee và Campbell (2009), Kumar và cs. (2012), Zhang và cs. (2012, 2013), Sun và cs. (2012), Wang và cs. (2013), Shao và cs. (2014), Yang và cs. (2014), Gore và cs. (2014).
  4. Tình hình nghiên cứu chọn giống bông tại Việt Nam: Nghiên cứu kỹ thuật thâm canh của Dương Xuân Diêu (2013); ứng dụng công nghệ RNAi tạo cây kháng virus xanh lùn của Hoàng Hà và cs. (2010); chuyển gen kháng sâu xanh của Trịnh Minh Hợp và cs. (2012); nghiên cứu chỉ thị SSR liên kết gen kháng bệnh xanh lùn Kxl trên bông Cỏ của Nguyễn Thị Lan Hoa và cs. (2013).
Hướng nghiên cứu Tác giả tiêu biểu (Năm) Phương pháp / Công cụ Đối tượng / Phát hiện chính
Đa dạng di truyền phân tử Kebede cs. (2007), Rahman cs. (2008), Kantartzi cs. (2009) SSR, RAPD Xác định khoảng cách di truyền nguồn gen bông lưỡng bội hệ gen A từ 0,02 đến 0,53.
Phát triển chỉ thị SSR Reddy cs. (2001), Nguyen cs. (2004), Han cs. (2006) EST-SSR, genomic SSR Phân lập hàng nghìn vi vệ tinh; thiết kế các bộ mồi SSR cho hệ gen bông tứ bội.
Bản đồ liên kết di truyền Reinisch cs. (1994), Rong cs. (2004), Yu cs. (2007) RFLP, SSR, SRAP, TRAP Thiết lập hệ thống 26 nhóm liên kết trên hệ gen dị tứ bội AD cây bông.
Định vị QTL chất lượng xơ Shen cs. (2005, 2007), Sun cs. (2012), Zhang cs. (2013) CIM, WinQTLCart, QTLNetwork Định vị hàng chục QTL kiểm soát độ bền, chiều dài, độ mịn, độ giãn của xơ bông.
Ứng dụng CNSH tại Việt Nam Trịnh Minh Hợp cs. (2012), Nguyễn Thị Lan Hoa cs. (2013) Chuyển gen, chỉ thị SSR Tạo dòng bông kháng sâu xanh; định vị gen Kxl kháng bệnh xanh lùn trên NST 10 bông Cỏ.

Khoảng trống luận án giải quyết

Trước luận án này, tại Việt Nam chưa có nghiên cứu nào xây dựng bản đồ liên kết di truyền phân tử trên hệ gen tứ bội AD (G. hirsutum x G. barbadense) và chưa có dữ liệu lập bản đồ QTL kiểm soát các tính trạng chất lượng xơ bông. Do đó, luận án tập trung giải quyết khoảng trống về việc xác định các chỉ thị SSR liên kết chặt với các locus kiểm soát chất lượng xơ, tạo tiền đề cho công tác chọn lọc nhờ chỉ thị phân tử (MAS).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý di truyền học số lượng và di truyền học phân tử:

  • Hệ gen dị tứ bội AD (2n = 4x = 52) của cây bông trồng trọt được hình thành từ sự dung hợp và đa bội hóa cổ xưa giữa tổ tiên mang hệ gen A (Cựu Thế giới) và hệ gen D (Tân Thế giới).
  • Các tính trạng chất lượng xơ bông (chiều dài, độ bền, độ mịn, độ đều, độ giãn, tỷ lệ xơ, chỉ số xơ ngắn) là các tính trạng số lượng phức tạp, chịu sự kiểm soát của nhiều gen (đa gen) cùng với tác động tương tác cộng gộp và biến dị môi trường.
  • Hiện tượng liên kết di truyền giữa các chỉ thị phân tử SSR (phân bố đồng đều khắp hệ gen) và các locus tính trạng số lượng (QTL) cho phép lập bản đồ di truyền và dò tìm các đoạn nhiễm sắc thể mang gen quy định phẩm chất xơ.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

  • Phương pháp đồng ruộng: Đánh giá các chỉ tiêu hình thái, nông sinh học, năng suất và các yếu tố cấu thành năng suất theo quy chuẩn khảo nghiệm cây bông tại Viện Nghiên cứu Bông và PTNN Nha Hố. Phân tích các chỉ tiêu chất lượng xơ chính (chiều dài xơ, độ bền xơ, độ đều xơ, độ giãn xơ, tỷ lệ xơ, chỉ số xơ ngắn) trên hệ thống thiết bị đo xơ chuyên dụng.
  • Phương pháp sinh học phân tử:
    • Tách chiết ADN tổng số từ lá non cây bông bằng quy trình CTAB (Cetyltrimethylammonium bromide) cải tiến kết hợp các dung dịch đệm chiết và đệm rửa.
    • Phản ứng chuỗi trùng hợp PCR với 746 cặp mồi SSR thuộc 10 nhóm mồi (BNL, CIR, CMS, JESPR, MGHES, MUCS, MUSS, NAU, STV, TM).
    • Điện di kiểm tra và phân tích sản phẩm PCR trên gel agarose SFR (Super Fine Resolution) nồng độ 3,5% và polyacrylamide.
  • Phương pháp xử lý số liệu và thống kê di truyền:
    • Phân tích đa dạng di truyền: Tính toán hệ số tương đồng di truyền Dice và Jaccard; phân nhóm di truyền theo thuật toán UPGMA (Unweighted Pair-Group Method with Arithmetical averages); tính hệ số thông tin đa hình PIC (Polymorphism Information Content) và hệ số dị hợp quan sát $H$.
    • Đánh giá khả năng kết hợp: Phân tích khả năng kết hợp chung (GCA) và khả năng kết hợp riêng (SCA), tính toán mức độ ưu thế lai trên các tổ hợp lai F1.
    • Xây dựng bản đồ liên kết di truyền: Phân tích tần số tái tổ hợp và phân ly di truyền của các locus SSR trên quần thể F2, tính khoảng cách bản đồ theo hàm khoảng cách Kosambi/Haldane (đơn vị centiMorgan - cM).
    • Lập bản đồ QTL: Sử dụng phương pháp lập bản đồ kết hợp CIM (Composite Interval Mapping) thông qua phần mềm WinQTLCart 2.5 với ngưỡng LOD được xác định bằng phép thử hoán vị (permutation test), xác định tỷ lệ biến dị kiểu hình giải thích ($R^2$).

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

  • 32 mẫu giống bông thuộc tập đoàn nguồn gen tại Viện Nghiên cứu Bông và PTNN Nha Hố.
  • Quần thể phân ly F2 gồm các cá thể thu được từ tổ hợp lai giữa giống bông Luồi L591 (G. hirsutum) và giống bông Hải đảo HD138 (G. barbadense).
  • Quần thể các dòng lai trở lại thế hệ BC4F2.
  • Cơ sở dữ liệu chỉ thị phân tử cây bông: Cotton Marker Database (CMD) và CottonGen.
  • Số liệu thống kê diện tích, năng suất bông vải tại Việt Nam và thế giới thu thập từ Bộ Nông nghiệp & PTNT, Tổng cục Thống kê và Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA).
Tình hình sản xuất bông vải tại Việt Nam qua các năm và so với thế giới (Trích bảng 1 luận án)
---------------------------------------------------------------------------------------
Năm      Diện tích (nghìn ha)   Năng suất bông hạt (tấn/ha)   Năng suất bông xơ (tấn/ha)   Sản lượng (nghìn tấn)
2010            9,80                       1,31                          0,53                     12,84
2011           10,60                       1,34                          0,48                     14,20
2012            9,60                       1,31                          0,46                     12,58
2013            2,50                       1,39                          0,46                      3,47
2014            2,70                       1,38                          0,46                      3,74
2014 (TQ)   4.890,00                          -                          1,46                  7.140,00

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức cơ bản và công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến đề tài. Luận án trình bày phân loại học chi Gossypium, lịch sử tiến hóa của chất xơ, cơ chế hình thành sợi bông từ tế bào biểu bì noãn hạt (trichome) và sự khác biệt về hình thái, chất lượng sợi giữa loài hoang dại và loài trồng trọt. Luận điểm trọng tâm của chương là phân tích cơ sở di truyền các chỉ tiêu phẩm chất xơ (chiều dài, độ bền, độ mịn, độ đều, độ giãn) - vốn là các tính trạng do đa gen kiểm soát với hiệu ứng cộng gộp chiếm ưu thế.

Chương này cũng tổng thuật chi tiết sự phát triển của các thế hệ chỉ thị phân tử (RFLP, RAPD, AFLP, SSR, EST-SSR, SNP) và các cơ sở dữ liệu cây bông quốc tế (CMD, CottonGen). Phân tích tổng hợp cho thấy các công trình lập bản đồ liên kết và bản đồ QTL trên thế giới (Shen cs. 2005, 2007; Zhang cs. 2012, 2013; Sun cs. 2012; Wang cs. 2013) đã định vị được nhiều QTL chất lượng xơ trên các nhiễm sắc thể khác nhau của hệ gen dị tứ bội AD. Đối với bối cảnh trong nước, chương tổng quan chỉ rõ diện tích trồng bông suy giảm nghiêm trọng (từ 28.000 ha năm 2004 xuống 2.700 ha năm 2014), nguồn cung xơ nội địa chỉ đáp ứng dưới 2% nhu cầu dệt may; đồng thời các nghiên cứu công nghệ sinh học trước đó tại Việt Nam mới chỉ dừng lại ở chuyển gen kháng sâu hoặc lập bản đồ gen kháng bệnh trên bông Cỏ lưỡng bội, khẳng định tính cần thiết của việc xây dựng bản đồ QTL chất lượng xơ trên bông tứ bội.

Chương 2: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn vật liệu thực nghiệm, thiết bị và các phương pháp nghiên cứu. Nguồn vật liệu chính gồm 32 mẫu giống bông: 11 giống bông Luồi G. hirsutum (L591 [MCU9], L1358 [Ca225], L1426 [FM8B], L1458, L1488, L1490, L1503, L1516, L1530 [TQ-5], L1562 [TQ-43], L1598); 10 giống bông Hải đảo G. barbadense (HD10, HD62, HD128, HD129, HD138, HD139, HD141, HD147, HD148, HD156); và 11 giống bông Cỏ G. arboreum (BC2 [Cỏ Thanh Hóa], BC6 [Cỏ Nghệ An], BC7 [Cỏ Bác Ái], BC15 [AK-235], BC18 [Lục Ngạn], BC34 [B2III4], BC35 [B2IV10], BC42 [Akola], BC43 [Tka 283], BC44 [Tka 188], BC46 [Ava]).

Danh sách phân loại 32 mẫu giống bông nghiên cứu (Trích bảng 2 luận án)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Nhóm loài / Tên khoa học              Mã số tập đoàn (MSTĐ) & Tên giống                      Nguồn gốc xuất xứ
Bông Luồi (Gossypium hirsutum)        L591 (MCU9)                                            Ấn Độ
                                      L1358 (Ca225), L1426 (FM8B)                            Nam Mỹ
                                      L1458, L1488, L1490, L1503, L1516 (Không tên)          Thái Lan
                                      L1530 (TQ-5), L1562 (TQ-43), L1598 (Không tên)         Trung Quốc
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Bông Hải đảo (Gossypium barbadense)   HD10, HD128, HD129, HD138, HD139, HD141,               Ai Cập
                                      HD147, HD148, HD156                                    Ai Cập
                                      HD62                                                   Ấn Độ
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Bông Cỏ (Gossypium arboreum)          BC2 (Thanh Hóa), BC6 (Nghệ An),                        Việt Nam
                                      BC7 (Bác Ái), BC18 (Lục Ngạn)                          Việt Nam
                                      BC15 (AK-235), BC34 (B2III4), BC35 (B2IV10),           Ấn Độ
                                      BC42 (Akola), BC43 (Tka 283), BC44 (Tka 188)           Ấn Độ
                                      BC46 (Ava)                                             Liên Xô

Hệ thống chỉ thị phân tử gồm 746 cặp mồi SSR thuộc 10 nhóm mồi: BNL, CIR, CMS, JESPR, MGHES, MUCS, MUSS, NAU, STV và TM. Quy trình thực nghiệm bao gồm: theo dõi nông sinh học đồng ruộng; phân tích chất lượng xơ theo tiêu chuẩn quốc tế; tách chiết ADN bằng CTAB cải tiến; phản ứng PCR và điện di trên gel agarose SFR 3,5%; thống kê mô tả, phân tích đa dạng di truyền (hệ số Dice, PIC, UPGMA); phân tích khả năng phối hợp GCA, SCA; xây dựng bản đồ liên kết di truyền bằng phần mềm chuyên dụng; và xác định vị trí các QTL kiểm soát chất lượng xơ bằng phần mềm WinQTLCart 2.5 theo phương pháp CIM.

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được theo 4 nội dung chính:

  1. Đánh giá nguồn gen bông phục vụ nghiên cứu: Đánh giá biến động kiểu hình về các tính trạng sinh thái, năng suất và phẩm chất xơ của 32 giống bông nghiên cứu. Phân tích phân tử với các chỉ thị SSR cho thấy mức độ đa dạng di truyền rõ rệt giữa ba nhóm loài: bông Luồi, bông Hải đảo và bông Cỏ. Các locus SSR cho số lượng alen và hệ số thông tin đa hình PIC biến động, phân biệt rõ các nhóm nguồn gen. Ma trận khoảng cách di truyền Dice và sơ đồ hình cây UPGMA phản ánh chính xác phân loại loài và nguồn gốc địa lý của các mẫu giống.
  2. Lựa chọn bố mẹ, lai tạo và đánh giá con lai F1: Đánh giá khả năng kết hợp chung (GCA) của các giống bố mẹ và khả năng kết hợp riêng (SCA), mức độ ưu thế lai của các tổ hợp lai khác loài giữa bông Luồi (G. hirsutum) và bông Hải đảo (G. barbadense). Dựa trên các đặc điểm nông sinh học, ưu thế lai về năng suất và chất lượng xơ, cặp giống L591 (bông Luồi, năng suất cao, thích ứng tốt) và HD138 (bông Hải đảo, xơ dài, độ bền xơ cao) đã được chọn làm cặp bố mẹ để tạo quần thể con lai phục vụ lập bản đồ liên kết.
  3. Xây dựng bản đồ liên kết di truyền hệ gen cây bông tứ bội: Sàng lọc 746 cặp mồi SSR giữa hai giống bố mẹ L591 và HD138 đã xác định được các cặp mồi cho đa hình rõ rệt. Phân tích phân ly di truyền trên quần thể con lai F2 (L591 x HD138). Bản đồ liên kết di truyền được xây dựng thành công bao gồm 26 nhóm liên kết (Linkage Groups - LG), tương ứng với 26 nhiễm sắc thể của hệ gen dị tứ bội AD ở cây bông. So sánh cấu trúc bản đồ liên kết này với các bản đồ tham khảo quốc tế xác nhận sự tương đồng cao về trật tự sắp xếp của các locus SSR mỏ neo trên các nhiễm sắc thể.
  4. Xác định các QTL chất lượng xơ và chỉ thị SSR liên kết: Theo dõi các tính trạng chất lượng xơ trên quần thể F2 và chạy phân tích trên phần mềm WinQTLCart 2.5 theo phương pháp CIM. Nghiên cứu đã phát hiện và định vị được 14 QTL kiểm soát các chỉ tiêu chất lượng xơ chính: chiều dài xơ (qFL), độ bền xơ (qFS), độ đều xơ (qFU), độ giãn xơ (qFE), tỷ lệ xơ (qLP) và chỉ số xơ ngắn (qSF). Xác định các chỉ thị SSR liên kết gần với các QTL này (điển hình như chỉ thị BNL3989 liên kết với QTL độ bền xơ qFS-3). Sử dụng chỉ thị SSR liên kết để sàng lọc và khảo sát ở thế hệ con lai phân ly BC4F2, kết quả đã chọn lọc được các dòng bông mang QTL mong muốn, sở hữu xơ siêu dài và tiềm năng năng suất cao.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  • Về khoa học:
    • Luận án đã xây dựng thành công bản đồ liên kết di truyền các locus SSR trên hệ gen cây bông tứ bội tại Việt Nam, bao gồm đầy đủ 26 nhóm liên kết tương ứng với 26 nhiễm sắc thể của hệ gen dị tứ bội AD.
    • Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam phát hiện, định vị thành công 14 QTL kiểm soát các tính trạng chất lượng xơ bông (độ bền xơ, chiều dài xơ, độ đều xơ, độ giãn xơ, tỷ lệ xơ và chỉ số xơ ngắn) và xác định được các chỉ thị phân tử SSR liên kết gần với các QTL này.
    • Cung cấp dẫn liệu khoa học về mức độ đa dạng di truyền ở mức độ hình thái và phân tử của 32 mẫu giống bông đại diện cho ba loài G. hirsutum, G. barbadense và G. arboreum đang được lưu giữ, khai thác tại Việt Nam.
  • Về thực tiễn:
    • Xác định được các chỉ thị phân tử SSR liên kết chặt (tiêu biểu như chỉ thị BNL3989 liên kết với QTL độ bền xơ qFS-3) làm công cụ hữu hiệu cho phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) và chọn giống lai trở lại nhờ chỉ thị phân tử (MABC).
    • Chọn lọc được các cá thể, dòng bông triển vọng ở thế hệ phân ly F2 và BC4F2 mang các QTL chất lượng xơ tốt (xơ siêu dài, độ bền cao) trên nền giống có khả năng sinh trưởng và năng suất cao, đóng góp nguồn vật liệu phục vụ công tác chọn tạo giống bông thuần và bông lai thương phẩm tại Việt Nam.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Tiếp tục duy trì, gieo trồng và đánh giá ổn định các dòng bông triển vọng mang QTL chất lượng xơ đã được chọn lọc từ thế hệ BC4F2 qua các vụ tiếp theo nhằm phát triển thành các giống bông thương phẩm phục vụ sản xuất.
  • Ứng dụng các chỉ thị SSR liên kết QTL đã phát hiện trong quy trình chọn lọc hỗ trợ bởi chỉ thị phân tử (MAS) tại các cơ sở nghiên cứu và chọn giống bông trong nước.
  • Tiếp tục bổ sung thêm các chỉ thị phân tử mới để nâng cao mật độ bản đồ liên kết di truyền, phục vụ việc định vị chi tiết và tách dòng các gen chức năng quy định phẩm chất xơ bông.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Do giới hạn về thời gian thực hiện luận án tiến sĩ, bản đồ liên kết di truyền và bản đồ QTL kiểm soát tính trạng chất lượng xơ chủ yếu được thiết lập trên quần thể phân ly sớm F2; việc thẩm định chỉ thị liên kết mới được tiến hành bước đầu trên quần thể lai trở lại BC4F2.
  • Số lượng chỉ thị SSR phân bố trên một số nhóm liên kết còn chưa thực sự dày đặc, khoảng cách giữa một số chỉ thị mỏ neo còn tương đối lớn.
  • Các dữ liệu kiểu hình được thu thập trong phạm vi các vụ thực nghiệm tại hai địa bàn chính (Hà Nội và Ninh Thuận), do đó chưa đánh giá hết được tương tác kiểu gen x môi trường trên diện rộng tại tất cả các tiểu vùng sinh thái trồng bông của cả nước.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng phát triển quần thể dòng nội phối tái tổ hợp (RIL) hoặc dòng nội phối lai trở lại (BIL) từ cặp lai L591 x HD138 để xây dựng bản đồ liên kết di truyền mật độ cao và đánh giá độ ổn định của các QTL qua nhiều môi trường sinh thái khác nhau.
  • Kết hợp chỉ thị SSR với các hệ thống chỉ thị phân tử thế hệ mới như SNP thông qua phân tích kiểu gen bằng giải trình tự (GBS) nhằm thu hẹp khoảng cách di truyền quanh các vùng QTL đích.
  • Thực hiện quy tụ đồng thời nhiều QTL kiểm soát các tính trạng chất lượng xơ khác nhau (chiều dài, độ bền, độ mịn) vào các giống bông Luồi thương phẩm có năng suất cao nhằm tạo giống bông đạt chuẩn kéo sợi cao cấp.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và giá trị sử dụng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Di truyền học, Công nghệ sinh học, Cây trồng: Có thể sử dụng luận án như một tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình công nghệ sinh học phân tử trên cây trồng đa bội, kỹ thuật phân tích SSR, phương pháp xử lý số liệu di truyền quần thể và quy trình lập bản đồ QTL bằng phần mềm WinQTLCart 2.5.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học, viện nghiên cứu: Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu về 746 cặp mồi SSR, dữ liệu đa dạng di truyền của 32 mẫu giống bông thuộc ba loài chính, cũng như trật tự liên kết các locus trên 26 nhóm liên kết của hệ gen dị tứ bội AD.
  • Các nhà chọn tạo giống tại Viện Nghiên cứu Bông và PTNN Nha Hố, Viện Di truyền Nông nghiệp: Có thể trực tiếp sử dụng các cặp chỉ thị SSR liên kết gần (như BNL3989) và các dòng phân ly BC4F2 đã được định vị QTL để rút ngắn thời gian chọn lọc giống bông xơ dài, độ bền cao.
  • Nhà quản lý nông nghiệp và các cơ quan hoạch định chính sách: Luận án cung cấp số liệu thực chứng về thực trạng sản xuất bông vải tại Việt Nam và tiềm năng ứng dụng công nghệ sinh học nhằm phục hồi vùng nguyên liệu bông nội địa cho ngành dệt may.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại chọn tổ hợp lai giữa giống bông Luồi L591 và giống bông Hải đảo HD138 để lập bản đồ liên kết và bản đồ QTL?

Cặp bố mẹ L591 (Gossypium hirsutum) và HD138 (Gossypium barbadense) là hai loài bông tứ bội mang các đặc tính bổ trợ cho nhau: giống Luồi L591 có ưu thế về khả năng thích ứng, năng suất cao nhưng chất lượng xơ trung bình; ngược lại giống Hải đảo HD138 có phẩm chất xơ vượt trội (xơ rất dài, độ bền cao) nhưng năng suất thấp. Phép lai khác loài giữa hai giống này tạo ra độ đa hình ADN cao giữa hai bố mẹ (phát hiện được qua chỉ thị SSR), đồng thời tạo ra quần thể phân ly F2 có sự biến dị kiểu hình rộng và phân ly mạnh mẽ về các chỉ tiêu chất lượng xơ, đáp ứng điều kiện tối ưu để lập bản đồ liên kết và dò tìm QTL.

2. Luận án đã phát hiện bao nhiêu QTL kiểm soát chất lượng xơ và thuộc những nhóm tính trạng nào?

Nghiên cứu đã phát hiện và định vị được 14 QTL kiểm soát các tính trạng chất lượng xơ bông thông qua phần mềm WinQTLCart 2.5 (phương pháp CIM), bao gồm:

  • QTL kiểm soát chiều dài xơ (qFL - Fiber Length QTL).
  • QTL kiểm soát độ bền xơ (qFS - Fiber Strength QTL).
  • QTL kiểm soát độ đều xơ (qFU - Fiber Uniformity QTL).
  • QTL kiểm soát độ giãn xơ (qFE - Fiber Elongation QTL).
  • QTL kiểm soát tỷ lệ xơ (qLP - Lint Percentage QTL).
  • QTL kiểm soát chỉ số xơ ngắn (qSF - Short Fiber index QTL).

3. Chỉ thị SSR nào được xác định liên kết gần với QTL độ bền xơ và đã được ứng dụng như thế nào trong nghiên cứu?

Chỉ thị SSR mang mã hiệu BNL3989 được xác định liên kết gần với QTL kiểm soát độ bền xơ qFS-3 trên nhiễm sắc thể số 3. Chỉ thị này đã được sử dụng trực tiếp để điện di phân tích, sàng lọc kiểu gen trên các cá thể thuộc quần thể con lai lai trở lại thế hệ BC4F2, giúp chọn lọc chính xác các dòng bông mang đoạn nhiễm sắc thể chứa QTL độ bền xơ mong muốn kết hợp với phẩm chất xơ siêu dài và năng suất cao.

4. Nguồn gốc của 32 mẫu giống bông được đánh giá đa dạng di truyền trong luận án gồm những nhóm loài nào?

32 mẫu giống bông nghiên cứu được thu thập từ tập đoàn giống của Viện Nghiên cứu Bông và PTNN Nha Hố, đại diện cho 3 loài:

  • 11 giống bông Luồi (G. hirsutum, dị tứ bội AADD): gồm giống L591 (nguồn gốc Ấn Độ), L1358, L1426 (Nam Mỹ), L1458, L1488, L1490, L1503, L1516 (Thái Lan), L1530, L1562, L1598 (Trung Quốc).
  • 10 giống bông Hải đảo (G. barbadense, dị tứ bội AADD): gồm giống HD62 (Ấn Độ) và các giống HD10, HD128, HD129, HD138, HD139, HD141, HD147, HD148, HD156 (nguồn gốc Ai Cập).
  • 11 giống bông Cỏ (G. arboreum, lưỡng bội AA): gồm các giống bản địa Việt Nam (BC2, BC6, BC7, BC18), các giống nhập nội từ Ấn Độ (BC15, BC34, BC35, BC42, BC43, BC44) và Liên Xô (BC46).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Minh Nguyệt đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu xác định đa dạng di truyền và thiết lập bản đồ liên kết di truyền gồm 26 nhóm liên kết trên hệ gen cây bông tứ bội tại Việt Nam. Công trình đã phát hiện và định vị thành công 14 QTL kiểm soát các tính trạng chất lượng xơ chính (qFL, qFS, qFU, qFE, qLP, qSF) cùng các chỉ thị SSR liên kết gần như BNL3989. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học và nguồn vật liệu di truyền giá trị, mở ra khả năng ứng dụng hiệu quả kỹ thuật chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) nhằm tạo ra các giống bông vừa có năng suất cao vừa có chất lượng xơ tốt phục vụ sản xuất nông nghiệp và ngành công nghiệp dệt may trong nước.