Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Các vấn đề liên quan đến luận án 1. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để đánh giá đa dạng sinh học 1. Đa dạng sinh học và những vấn đề liên quan Định nghĩa đa dạng sinh học: Theo Luật Đa dạng sinh học (2008) thì “Đa dạng sinh học là sự phong phú về gen, loài sinh vật và hệ sinh thái trong tự nhiên”.
Ba cấp độ này làm việc cùng nhau để tạo ra sự phức tạp của sự sống trên Trái đất [1]. Sự đa dạng di truyền ở cấp độ cơ bản nhất của nó được thể hiện bởi sự khác biệt trong trình tự của các nucleotide (adenine: A, cytosine: C, guanine: G, thymine: T…) hình thành nên ADN trong các tế bào của sinh vật. ADN được chứa trong các nhiễm sắc thể có mặt trong tế bào; một số nhiễm sắc thể được chứa trong các bào quan của tế bào (ví dụ, các nhiễm sắc thể của ty thể và lục lạp). Mỗi một gen là một đoạn của ADN nằm trên nhiễm sắc thể và quy định một đặc tính cụ thể của một sinh vật.
Whittaker (1972) đưa ra 3 khái niệm đa dạng trong sinh thái học: đa dạng alpha, đa dạng bê ta và đa dạng gamma. Đa dạng alpha đánh giá đa dạng cho tập hợp mẫu từ một quần xã nhất định. Đa dạng beta đánh giá sự thay thế loài hay sự thay đổi thành phần sinh vật khi chuyển từ quần xã này sang quần xã khác. Đa dạng gamma đánh giá sự phong phú loài của một loạt sinh cảnh (một cảnh quan, một khu vực địa lý hoặc một hòn đảo), nó là hệ quả của đa dạng alpha của các quần xã thành phần và của đa dạng beta giữa chúng [2].
Mora et al. (2011) dự đoán có khoảng 8,7 triệu (± 1,3 triệu) loài có nhân trên toàn cầu; trong đó có khoảng 2,2 triệu (± 0,18 triệu) là sống dưới biển. Họ cho rằng khoảng 86% các loài đang tồn tại trên trái đất và 91% các loài trong đại dương vẫn đang chờ đợi mô tả [3]. Đến nay, tổng số loài mô tả được chấp nhận trên thế giới được ước tính là gần 1.000 loài và có khoảng 18.000 loài mới được miêu tả mỗi năm (năm 2007) (Chapman 2009) [4].
Nhiều loài đã tuyệt chủng trong lịch sử địa chất của trái đất. Lý do chính cho những sự tuyệt chủng là sự thay đổi môi trường hoặc sự cạnh tranh sinh học. Tỷ lệ tuyệt chủng gây ra bởi con người lớn hơn tỷ lệ tuyệt chủng tự nhiên của chúng khoảng từ 1. Hiện nay, sự tác động của con người 4 gây ra sự tuyệt chủng của các loài sinh vật trên trái đất là một trong những vấn đề môi trường lớn nhất đối với nhân loại (Pidwirny, 2015) [5].
Đánh giá đa dạng sinh học: Trong ba cấp độ đa dạng sinh học, cấp độ đa dạng loài gần như được áp dụng chủ yếu trong nghiên cứu sinh thái và bảo tồn sinh học, mặc dù các mức độ đa dạng của bậc phân loại cao hơn (chi, họ, bộ) hoặc mô hình đa dạng tiến hóa đôi khi cũng được coi là đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu cổ sinh vật học (Foote 1997; Roy et al. 1996; Raup và Sepkoski 1984) [6, 7, 8]. Do đó, các nhà sinh vật học thường đánh giá đa dạng sinh học thông qua đánh giá độ giàu loài. Có hai phương pháp chính để đánh giá độ giàu loài: (1) phương pháp đánh giá mang tính định tính bao gồm đa dạng loài alpha là tổng số loài trong một quần xã có trong một hệ sinh thái cụ thể.
Tính đa dạng beta mô tả mức độ dao động thành phần loài khi các yếu tố môi trường thay đổi. Tính đa dạng gamma áp dụng cho những khu vực rộng lớn hơn về mặt địa lý. Trong thực tế, ba chỉ số đa dạng này thường liên quan chặt chẽ với nhau. (2) Phương pháp đánh giá mang tính định lượng bao gồm đánh giá số lượng cá thể hay sinh khối của một loài, hay mật độ loài, đó là số lượng mỗi loài trong khu vực hay đơn vị thu mẫu, ví dụ như số lượng các loài trên một mét vuông (Magurran 2013) [9] và các chỉ số sinh thái.
Độ giàu loài (số lượng các loài trong một khu nghiên cứu) đại diện cho một thước đo duy nhất nhưng quan trọng, nó có giá trị như sự phổ biến chung của đa dạng sự sống nhưng nó phải được tích hợp với các số liệu khác để nắm bắt đầy đủ các mặt của đa dạng sinh học. Chỉ số sinh thái sử dụng số liệu định lượng để đo lường các khía cạnh của đa dạng sinh học, điều kiện sinh thái, sự có lợi, hoặc sự điều khiển các thay đổi, nhưng không có chỉ số sinh thái đơn lẻ để nắm bắt tất cả các mặt của đa dạng sinh học. Lý tưởng nhất, để đánh giá các điều kiện và xu hướng của đa dạng sinh học trên toàn cầu hoặc phần nhỏ hơn là đo lường sự phong phú của tất cả các sinh vật theo không gian và thời gian, sử dụng phân loại (chẳng hạn như số lượng các loài), đặc điểm chức năng (ví dụ cây cố định nitơ như đậu so với cây không cố định nitơ), và sự tương tác giữa các loài có ảnh hưởng đến động lực và chức năng của chúng (ví dụ ăn thịt, ký sinh, cạnh tranh, giúp thụ phấn, và ảnh hưởng của những tương tác này đến hệ sinh thái như thế nào). Thậm chí quan trọng hơn sẽ là đánh giá sự dịch chuyển của đa 5 dạng sinh học trong không gian hoặc thời gian.
Hiện nay, chúng ta không thể làm được điều này với độ chính xác cao bởi vì các số liệu còn thiếu. Khủng hoảng đa dạng sinh học: là sự mất đi của gen, các loài và các hệ sinh thái. Từ thế kỷ 17, có ít nhất 717 loài động vật và 87 loài thực vật đã mất đi.000 loài thực vật và động vật có nguy cơ cùng số phận (Danh sách đỏ IUCN). Vos et al.
(2015) ước tính rằng sự mất đi trong tự nhiên có thể gần với tỷ lệ 0,1 loài trên một triệu loài trên một năm và do đó tỷ lệ tuyệt chủng hiện nay là cao hơn 1000 lần so với tỷ lệ tự nhiên và trong tương lai có thể sẽ cao hơn 10. Levin (2002) cho thấy rằng trung bình cứ 20 phút có một loài trên trái đất bị mất đi. Sinh thái học ước tính rằng một nửa của tất cả các loài chim đang sống và động vật có vú sẽ biến mất trong vòng 200 hoặc 300 năm [12]. Nhân tố chính cho sự thay đổi đa dạng sinh học trong tương lai bao gồm sự thay đổi trong sử dụng đất, biến đổi khí hậu, lắng đọng Ni tơ, trao đổi sinh học và hấp thụ khí CO2 (Sala et al.
Hậu quả của sự tuyệt chủng có thể phá vỡ quá trình sinh thái quan trọng như thụ phấn và phát tán hạt giống, dẫn đến sự mất mắt xích trong lưới và chuỗi thức ăn dẫn đến sự sụp đổ của hệ sinh thái và làm cho tăng tỷ lệ tuyệt chủng tổng thể (Sodhi et al. Sau khi hiện tượng tuyệt chủng bùng phát này kết thúc, số lượng loài cũng có thể trở lại như mức trước nhưng chắc chắn sẽ có ít hơn nhóm phân loại bậc cao hơn so với hiện tại. Một sự thay đổi quy mô như vậy trong hệ sinh vật của trái đất sẽ làm nghèo đa dạng sinh học trên hành tinh trong nhiều triệu năm tới (Levin 2002) [12]. Trở ngại phân loại trong nghiên cứu đa dạng sinh học: Phân loại thường được nhắc đến là sự mô tả lý thuyết và thực hành, đặt tên và sắp xếp có hệ thống các sinh vật sống.
Công việc này là cần thiết cho sự hiểu biết cơ bản về đa dạng sinh học và bảo tồn. Việc thiếu tên khoa học và những khó khăn trong việc xác định loài trong nghiên cứu sinh thái là "trở ngại phân loại" (New, 1984) [15]. Điều này đang có ảnh hưởng rất lớn cho khoa học bảo tồn. Nhiều loài sẽ bị tuyệt chủng trước khi chúng được mô tả và chúng ta vẫn tiếp tục không biết chính xác có bao nhiêu loài trên hành tinh của chúng 6 ta.
Các "trở ngại phân loại" đã dẫn tới sự hiểu biết không đầy đủ về phần lớn đa dạng sinh học toàn cầu. Như vậy, với sự đa dạng loài rất cao trên hành tinh của chúng ta, có rất nhiều loài đang chờ được mô tả trong khi có nhiều trở ngại trong việc định danh loài, nhiều loài có nguy cơ bị tuyệt chủng trước khi được mô tả. Điều này dẫn đến chúng ta sẽ đánh giá đa dạng sinh học không được chính xác và các nhà khoa học đã tìm ra công cụ hữu dụng giúp đánh giá đa dạng sinh học nhanh và chính xác, đó là công cụ sinh học phân tử. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để tăng tốc độ đánh giá đa dạng sinh học Sử dụng công cụ sinh học phân tử để đánh giá đa dạng loài Như đã đề cập ở trên, có ba cấp độ đa dạng sinh học: Đa dạng loài, đa dạng di truyền và đa dạng hệ sinh thái.
Sinh học phân tử là một lĩnh vực của sinh học liên quan đến quá trình phiên mã gen cho sản phẩm acid Ribonucleic (ARN), sự dịch mã của ARN thành protein và vai trò của những protein thể hiện trong chức năng tế bào (https://www.net/life-sciences/Molecular-Biology-Techniques. Mục đích chính của những kỹ thuật sinh học phân tử là có được trình tự ADN của gen mục tiêu. Những bước chính là: (1) tách triết ADN mục tiêu, (2) khuếch đại đoạn ADN mục tiêu (PCR) và (3) giải trình tự ADN: là việc xác định thứ tự của các nucleotide A, G, C và T có trong một phân đoạn của ADN mục tiêu. Hiện nay, kỹ thuật giải trình tự nhuộm màu là phương pháp chuẩn trong phân tích trình tự ADN.
Đến nay, kỹ thuật giải trình tự thế hệ tiếp theo (NGS) đã được áp dụng trong một loạt các trường hợp, bao gồm cả trình tự cả hệ gen, các trình tự mục tiêu, phát hiện vị trí ràng buộc của các yếu tố phiên mã và sự biểu hiện sao chép đa hình của ARN không mã hóa. Tùy thuộc vào mục tiêu của nhà khoa học nhưng mục đích cuối cùng là nhận được trình tự của ADN để so sánh giữa chúng với nhau. Mã vạch ADN dựa trên gen ty thể (thường xuyên nhất gen Cytochrome oxidase subunit I: COI) đã nổi lên như một công cụ hữu ích để xác định các loài động vật. Mã vạch ADN được sử dụng như một công cụ hiệu quả cho cả việc xác định các loài đã biết và phát hiện ra những loài mới (Hebert et al.
2003, 2010, Savolainen et al.