Luận văn: Nghiên cứu đa dạng di truyền quần thể Bách xanh ở Tây Nguyên

Luận văn phân tích đa dạng di truyền quần thể Bách xanh ở Tây Nguyên. Tài liệu cung cấp cơ sở khoa học cho việc bảo tồn nguồn gen quý hiếm.

• Tác giả: Lê Thị Quỳnh
• Người hướng dẫn: PGS. Đinh Thị Phòng
• Trường học: University of Science, Vietnam National University, Hanoi
• Chuyên ngành: Genetics
• Đề tài: Nghiên cứu đa dạng di truyền quần thể Bách xanh tự nhiên (Calocedrus macrolepis Kurz) ở Tây Nguyên
• Loại tài liệu: Master's Thesis
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về loài Bách xanh Calocedrus macrolepis Kurz

Bách xanh là một loài cây gỗ quý hiếm thuộc họ Tùng, phân bố tự nhiên ở Tây Nguyên Việt Nam. Loài này có giá trị kinh tế cao với gỗ chất lượng tốt, khả năng chống chọi với môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, do khai thác quá mức, quần thể Bách xanh đã bị suy giảm đáng kể. Việc nghiên cứu đa dạng di truyền của loài này là cần thiết để bảo tồn và phục hồi các quần thể tự nhiên. Các nghiên cứu về tính đa dạng di truyền giúp hiểu rõ cấu trúc di truyền, mức độ liên quan giữa các quần thể, từ đó xây dựng chiến lược bảo tồn hiệu quả cho loài Bách xanh ở Tây Nguyên.

1.1. Vị trí phân loại học và đặc điểm sinh học

Bách xanh (Calocedrus macrolepis Kurz) thuộc họ Cupressaceae, là cây lâu năm sống lâu. Loài này có hình dáng thân cây thẳng, chiều cao lớn, lá nhỏ dạng tỷ. Sinh trưởng ở vùng Tây Nguyên với điều kiện khí hậu đặc thù, độ cao từ 800-1.500m. Bách xanh có khả năng thích nghi tốt với đất màu mưỡn, cóc thoáng khí.

1.2. Giá trị bảo tồn và phân bố tự nhiên

Đa dạng di truyền của Bách xanh được bảo vệ thông qua các chương trình bảo tồn quốc gia. Phân bố tự nhiên chủ yếu ở các tỉnh Lâm Đồng, Đắk Lắk, Đắk Nông. Hiện nay, diện tích rừng Bách xanh giảm nhanh, làm mất các quần thể di truyền độc đáo, vì vậy nghiên cứu và bảo vệ tính đa dạy di truyền trở nên vô cùng quan trọng.

II. Khái niệm về đa dạng di truyền và quần thể thực vật

Đa dạng di truyền là sự biến đổi trong thành phần di truyền giữa các cá thể và quần thể của một loài. Đối với thực vật, tính đa dạy di truyền phản ánh mức độ khác biệt về DNA giữa các cá thể trong cùng quần thể hoặc giữa các quần thể khác nhau. Quần thể thực vật là tập hợp các cá thể cùng loài sống trong cùng một khu vực địa lý và có khả năng lai tạo với nhau. Việc duy trì đa dạy di truyền cao trong quần thể Bách xanh ở Tây Nguyên là điều kiện cần để loài này có khả năng thích nghi với những thay đổi môi trường trong tương lai. Các nghiên cứu đa dạy di truyền của quần thể giúp xác định tình trạng sức khỏe di truyền của quần thể tự nhiên.

2.1. Quần thể thực vật và cấu trúc di truyền

Quần thể Bách xanh ở Tây Nguyên bao gồm ba quần thể chính: Lâm Đồng, Đắk Lắk, và Đắk Nông. Mỗi quần thể có đặc điểm di truyền riêng phụ thuộc vào điều kiện môi trường cụ thể. Đa dạy di truyền trong mỗi quần thể được quyết định bởi tần suất alen, số lượng alen và mức độ dị hợp tử.

2.2. Tầm quan trọng của việc bảo tồn đa dạy di truyền

Bảo tồn đa dạay di truyền cao giúp Bách xanh có khả năng thích nghi tốt hơn với biến đổi khí hậu, bệnh tật và sâu bệnh. Các quần thể với đa dạy di truyền thấp dễ bị suy thoái, mất khả năng sinh sản. Nghiên cứu tính đa dạay di truyền cung cấp thông tin cần thiết cho các chương trình tái canh.

III. Kỹ thuật phân tích đa dạy di truyền ISSR và SSR

Để nghiên cứu đa dạaa di truyền quần thể Bách xanh ở Tây Nguyên, các nhà khoa học sử dụng hai kỹ thuật sinh học phân tử chính là ISSR (Inter Simple Sequence Repeat) và SSR (Simple Sequence Repeat). Kỹ thuật ISSR sử dụng các mồi nhân bản vùng DNA lặp đơn giản, cho phép phát hiện đa hình DNA ở mức độ cao. Kỹ thuật SSR (hay microsatellite) nhắm mục tiêu vào các vùng lặp ngắn của DNA, cung cấp thông tin chi tiết về đa dạaa di truyền. Cả hai phương pháp đều cho phép các nhà nghiên cứu xác định mức độ tương đồng di truyền giữa các mẫu Bách xanh, xây dựng sơ đồ phân nhánh di truyền và đánh giá tình trạng đa dạaa di truyền của các quần thể tự nhiên.

3.1. Kỹ thuật ISSR Phát hiện đa hình DNA

Kỹ thuật ISSR sử dụng 30 mồi khác nhau để phân tích 70 mẫu Bách xanh. Phương pháp này cho thấy tỉ lệ phân đoạn đa hình cao, cho phép xác định đa hình DNA rõ ràng giữa các cá thể. Chỉ thị ISSR có giá trị PIC cao, phù hợp để nghiên cứu đa dạaa di truyền ở mức độ quần thể.

3.2. Kỹ thuật SSR Phân tích microsatellite

SSR markers (17 cặp mồi) được sử dụng để phân tích chi tiết đa dạaa di truyền của Bách xanh. Kỹ thuật này cung cấp thông tin về số alen, tần suất alen, và mức độ dị hợp tử của mỗi quần thể. Chỉ thị SSR có độ tin cậy cao, thường được sử dụng trong các nghiên cứu bảo tồn loài hiếm.

IV. Kết quả nghiên cứu đa dạya di truyền và ý nghĩa bảo tồn

Kết quả nghiên cứu đa dạaa di truyền quần thể Bách xanh ở Tây Nguyên cho thấy có sự khác biệt di truyền rõ rệt giữa ba quần thể chính. Phân tích ISSR và SSR phát hiện được mức độ đa hình DNA cao, chứng tỏ quần thể Bách xanh vẫn còn đa dạaa di truyền tương đối tốt. Tuy nhiên, mức độ đa dạaa di truyền có sự suy giảm so với quần thể gốc do khai thác lâm sản lâu năm. Nghiên cứu tương đồng di truyền giữa các quần thể giúp xác định các khu vực cần ưu tiên bảo tồn. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chiến lược bảo tồn và chương trình tái canh Bách xanh, đảm bảo lâu dài sự tồn tại và phát triển của loài này ở Tây Nguyên.

4.1. Mức độ đa dạaa di truyền của các quần thể Bách xanh

Ba quần thể Bách xanh ở Tây Nguyên (Lâm Đồng, Đắk Lắk, Đắk Nông) thể hiện đa dạaa di truyền khác nhau. Quần thể Lâm Đồng có mức độ dị hợp tử cao nhất, chỉ ra rằng quần thể này còn đa dạaa di truyền tốt. Phân tích AMOVA cho thấy phần lớn biến đổi di truyền (60-70%) tập trung trong quần thể, không giữa các quần thể.

4.2. Ứng dụng trong bảo tồn và phục hồi loài

Kết quả đa dạaa di truyền được sử dụng để chọn lọc những cá thể mẹ có đa dạaa di truyền cao cho chương trình tái canh. Duy trì đa dạaa di truyền trong quần thể nhân tạo là yếu tố then chốt đảm bảo thành công của bảo tồn loài Bách xanh ở Tây Nguyên lâu dài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Tây Nguyên là một trong những vùng giàu loài lá kim nhất Việt Nam. Hầu hết những loài lá kim ở Tây Nguyên đều là những loài có giá trị khoa học và kinh tế cao trong đó có loài Bách xanh (Calocedrus macrolepis Kurz). Bách xanh có khu phân bố rộng với số lƣợng cá thể lớn, nhƣng gần đây đã bị khai thác nhiều để lấy gỗ và làm bột hƣơng, nên môi trƣờng sống của loài đang bị thu hẹp dần. Theo số liệu điều tra gần đây nhất của Nguyễn Tiến Hiệp năm 2013, hiện ở vùng suối Đatanla (Đà Lạt) chỉ còn những cây nhỏ, đƣờng kính dƣới 10cm, ven thác Darơcao (Đà Lạt) chỉ còn hơn 50 cây có đƣờng kính trên 5cm (số liệu chƣa công bố).

Ƣớc tính cả nƣớc ta hiện tại không còn quá 500 cây Bách xanh có đƣờng kính trên 10cm [6]. Môi trƣờng sống của Bách xanh cũng đang bị thu hẹp dần do nạn phá rừng và nạn nƣơng rẫy. Theo tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên quốc tế (IUCN) 2014, Bách xanh đƣợc xếp vào bậc bị đe dọa (VU A2cd). Vì vậy, việc bảo tồn hữu hiệu nguồn gen Bách xanh là nhiệm vụ cấp bách đặt ra cho các nhà nghiên cứu.

Tuy nhiên, các nghiên cứu trƣớc đây mới chỉ tập trung vào việc phân loại dựa trên đặc điểm hình thái và nơi phân bố, còn các nghiên cứu về đa dạng di truyền nguồn gen vẫn rất hạn chế và mới chỉ tập trung cho một số loài [6], [8]. Đặc biệt các dẫn liệu về đa dạng nguồn gen di truyền của loài Bách xanh ở Tây Nguyên hầu nhƣ chƣa đƣợc nghiên cứu. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ sinh học hiện đại, nhiều loại chỉ thị phân tử đã đƣợc sử dụng để đánh giá đa dạng di truyền nguồn gen làm cơ sở cho nghiên cứu bảo tồn và tái tạo nguồn gen ở đối tƣợng sinh vật nói chung và ở các loài cây lá kim nói riêng. Trong các loại chỉ thị thì chỉ thị ISSR (Inter Simple Sequence Repeat) và SSR (Simple Sequence Repeat) đang đƣợc ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong việc đánh giá đa dạng di truyền ở cả mức độ quần thể và loài cả trên giới và Việt Nam.

Chẳng hạn nhƣ Wang và cộng sự (2004) đã sử dụng chỉ thị ISSR phân tích đa dạng di truyền của 5 quần thể Bách xanh ở Tây Nam Trung Quốc [56] và đã chỉ ra tỉ lệ locus đa hình P = 26,9%. Hay năm 2010, Wang và Hao cũng đã sử dụng chỉ thị ISSR để đánh giá đa dạng di truyền của 13 quần thể thông 7 tự nhiên ở Trung Quốc (Pinus tabulaeformis Carr. Kết quả chỉ ra rằng mức độ biến đổi di truyền trong quần thể Thông ở Trung Quốc chủ yếu duy trì bên trong quần thể. Sự đa dạng di truyền có xu hƣớng giảm từ quần thể trung tâm đến quần thể trung gian và quần thể biên.

Cả hai yếu tố phân bố tự nhiên và hoạt động của con ngƣời đều ảnh hƣởng đến sự hình thành cấu trúc di truyền của loài này. Tuy nhiên, ở Việt Nam cho đến nay mới chỉ có nhóm tác giả Vũ Thị Thu Hiền và cộng sự (2009) đã sử dụng chỉ thi RAPD và cpDNA để nghiên cứu đa dạng di truyền của 20 mẫu Bách xanh thu đƣợc Hà Nội, Lâm Đồng, Quảng Bình. Kết quả phân tích đã chỉ ra các mẫu phân tích có hệ số di truyền dao động từ 0,75 đến 1, kết quả thu đƣợc còn cho thấy tính bảo thủ di truyền rất cao trong hệ gen lục lạp ở loài Bách xanh [5]. Xuất phát từ các cơ sở khoa học trên đây, chúng tôi tiến hành đề tài “Nghiên cứu đa dạng di truyền quần thể Bách xanh tự nhiên (Calocedrus macrolepis Kurz) ở Tây Nguyên” với mục tiêu và nội dung nghiên cứu sau: - Xác định mức độ đa dạng nguồn gen di truyền cho 3 quần thể Bách xanh tự nhiên thu tại 3 tỉnh Lâm Đồng, Đắk Lắk và Gia Lai ở Tây Nguyên bằng chỉ thị ISSR và SSR làm cơ sở cho nghiên cứu giải pháp khai thác, bảo tồn và tái tạo nguồn gen.

- Xây dựng cây phát sinh chủng loại quần thể loài Bách xanh trên cơ sở phân tích chỉ thị ISSR và SSR. 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Giới thiệu tổng quát về loài Bách xanh 1. Vị trí phân loại Bách xanh Bách xanh (Calocedrus macrolepis Kurz) là loài cây thân gỗ, thân thẳng, phân cành sớm và phân tán rộng.

Bách xanh phân bố ở vùng núi đá vôi phía Bắc và vùng núi đất phía Nam, trong các cánh rừng nguyên sinh rậm thƣờng xanh hỗn giao nhiệt đới gió mùa núi thấp và ở độ cao 800 - 1500m trên mặt biển. Theo phân loại khoa học, Bách xanh thuộc: Giới (regnum): Plantae Ngành (phylum): Pinophyta Lớp (class): Pinopsida Bộ (order): Pinales Họ (familia): Cupressaceae Chi (genus): Calocedrus Loài (species): macrolepis 1. Một số đặc điểm sinh học chính và giá trị bảo tồn loài Bách xanh Bách xanh (Calocedrus macrolepis Kurz) là loài cây gỗ lớn, thƣờng xanh, chiều cao từ 20 – 25m có khi trên 30m, đƣờng kính 0,6 – 0,8m [8]. Vỏ màu nâu sẫm, nứt dọc sau bong mảng, vết vỏ đẽo màu hồng dày 4 – 10mm có nhiều sợi dài.

Cành lớn xoè rộng, cành non dẹt, mọc cách, xếp thành mặt phẳng. Lá hình vảy mọc đôi, từng đôi xếp lợp lên nhau, đôi ở giữa lớn hơn, dài 5mm, đôi ở mép gấp nếp, dài 2mm. Mặt trên màu xanh thẫm mặt dƣới có nhiều phấn trắng. Nón đơn tính cùng gốc, mọc lẻ đầu cành.

Nón đực hình trứng dài, mang 6 – 8 đôi nhị. Nón cái hình trứng trái xoan, dài 12 – 15mm, rộng 4mm mang 3 đôi vảy nón. Thƣờng chỉ đôi vảy ở giữa mang 2 noãn. Khi chín vảy nón hoá gỗ, hạt có 2 cánh, cánh lớn hình trứng, cánh nhỏ hình dải.

Hạt rụng tháng 10 – 12 (hình 1. Tái sinh bằng hạt tốt, đặc biệt ở nơi có nhiều ánh sáng. Cây con mọc nhiều nhƣ mạ nhƣng chỉ một số rất ít phát triển thành cây trƣởng thành. Ở Việt Nam, Bách xanh đƣợc phân bố tự nhiên ở nhiều tỉnh thành trên cả nƣớc, thƣờng mọc thành đám nhỏ hoặc rải rác trên độ cao 9 900 – 1100m vùng Ba Vì (Hà Tây) và Đà Lạt (Lâm Đồng).

Trên thế giới, loài Bách xanh đƣợc phân bố ở nhiều quốc gia nhƣ Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ và Thái Lan. Bách xanh là loài có giá trị kinh tế cao, gỗ thƣờng dùng trong xây dựng nhà cửa, đóng đồ gỗ cao cấp, tiện đồ mỹ nghệ và làm đồ dùng văn phòng. Hơn nữa gỗ Bách xanh có mùi thơm dịu nên còn đƣợc dùng làm bột hƣơng. Ngoài ra cây có dáng đẹp, có thể trồng làm cảnh.

Cây Bách xanh ở Vƣờn quốc gia Chƣ Yang Sin, Đắk Lắk (A: Cây trƣởng thành, B: tiêu bản của loài) (Ảnh: Nguyễn Tiến Hiệp, 2013) Hiện nay, môi trƣờng sống của Bách xanh đang bị thu hẹp dần do nạn phá rừng và nạn nƣơng rẫy. Bách xanh tái sinh bằng hạt tốt nhƣng tỷ lệ cây con sống sót rất thấp. Những cá thể Bách xanh hiện nay nếu còn trong tự nhiên với độ tuổi rất cổ, hơn 400 năm tuổi. Vì thế số lƣợng cây con không đủ thay thế cho lớp cây trƣởng 10 thành già cỗi và những cây bị khai thác vì mục đích thƣơng mại.

Bách xanh đang có nguy cơ tuyệt chủng trên phạm vi toàn cầu. Vùng suối Đatanla (Đà Lạt) chỉ còn những cây nhỏ đƣờng kính dƣới 10cm, ven thác Darơcao (Đà Lạt) chỉ còn hơn 50 cây có đƣờng kính trên 5cm, ƣớc tính cả nƣớc ta hiện tại không còn quá 500 cây Bách xanh có đƣờng kính trên 10cm. Cần gấp rút khoanh vùng bảo vệ và đƣa vào gieo trồng ở một số nơi quanh Đà Lạt và trên đỉnh núi Ba Vì [2]. Theo Tổ chức Bảo tồn Thiên nhiên quốc tế (IUCN) 2014, Bách xanh đƣợc xếp vào bậc bị đe dọa (VU A2cd) [6].

Vì vậy, việc bảo tồn hiệu quả nguồn gen Bách xanh là nhiệm vụ cấp bách đặt ra cho các nhà nghiên cứu. Tình hình phân bố Bách xanh ở Việt Nam Ở Việt Nam, Bách xanh đƣợc ghi nhận có cả ở các vùng núi đá vôi phía Bắc và các núi đất phía Nam. Các quần thể phía Nam Việt Nam phân bố ở Đắk Lắk, Lâm Đồng, Khánh Hòa và Ninh Thuận). Những cây trên các vùng núi đá vôi ở phía Bắc (Sơn La, Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Kạn, Hòa Bình và Nghệ An) cho thấy sự khác nhau về hình thái của các bộ phận sinh dƣỡng.

Đó có thể là điều kiện môi trƣờng khắc nghiệt hơn hoặc là một loài khác. Trên thế giới Bách xanh (C. macrolepis) gặp ở Đông Bắc Myanma, Thái Lan, Lào và Đông Nam Trung Quốc [6]. Bách xanh gặp thành từng đám nhỏ trong các rừng nguyên sinh rậm thƣờng xanh hỗn giao nhiệt đới gió mùa núi thấp (nhiệt độ trung bình năm 15 - 20 0C, lƣợng mƣa trên 1500mm) ở độ cao 800 – 1500m trên mặt biển, ở các loại đất sét.

Mối đe dọa chính đối với loài Bách xanh là việc khai thác quá mức để lấy gỗ trên toàn bộ vùng phân bố của loài. Ở phía Nam Việt Nam, đặc biệt là ở Tây Nguyên, Bách xanh còn bị đe dọa tuyệt chủng do các khu rừng bị chia cắt, lửa rừng và do chuyển đổi nơi sống của cây thành đất nông nghiệp. Bách xanh đã đƣợc xếp vào nhóm IIA của Danh mục các loài động vật và thực vật quí hiếm [6] nên việc khai thác bị luật pháp hạn chế. Để bảo tồn loài Bách xanh, Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Lâm Đồng đã giao cho xí nghiệp giống Lâm nghiệp vùng Tây Nguyên và Dự án giống Lâm nghiệp Việt Nam có nhiệm vụ nhân giống một số loài cây lâm 11 nghiệp trong đó có Bách xanh để cung cấp cây con phục vụ cho việc trồng bổ sung cho rừng nguyên sinh.

Các quần thể Bách xanh chính đƣợc xác định nằm ngoài các khu bảo tồn nhƣng vẫn thuộc diện rừng phòng hộ nhƣ ở khu vực Thƣợng Đa Nhim (Lâm Đồng), Tân Tiến (Ninh Thuận), Khánh Sơn (Khánh Hòa). Vì việc khai thác loài cây này bị luật pháp hạn chế nên cần nâng cao nhận thức về bảo tồn tại các khu vực này [6], [8]. Tính đa dạng di truyền giữa các quần thể thực vật 1. Khái niệm về quần thể thực vật Quần thể là tập hợp các cá thể trong cùng một loài, cùng sinh sống trong một khoảng không gian xác định, vào một thời gian nhất định, có khả năng sinh sản và tạo thành những thế hệ mới [1].