ThS. Cù Thị Dần
Bộ môn Bảo vệ Thực vật
1. Thế nào là chỉ thị phân tử?
Chỉ thị phân tử (molecular marker) hay còn gọi là chỉ thị di truyền (genetic marker) ở thực vật là đoạn DNA ngắn có liên kết chặt chẽ với gen quy định một tính trạng cụ thể của cây trồng, tạo nên tính đặc trưng để phân biệt giữa các cá thể (Ví dụ như tính kháng sâu hoặc bệnh, màu sắc hoặc kích thước quả hạt v.v….). Điều đặc biệt là những chỉ thị này không dựa trên hình thái bên ngoài mà dựa trên sự khác biệt về trình tự gen giữa các cá thể. Nhờ tính liên kết chặt chẽ với tính trạng đang khảo sát, chỉ thị phân tử được di truyền từ thế hệ này qua thế hệ khác, do đó nó được sử dụng như một công cụ hữu ích trong việc chọn lọc giống.
Hiện nay, chỉ thị phân tử DNA có các dạng phổ biến như:
– Chỉ thị phân tử của trình tự đa hình từng nucleotid (Single Nucleotide Polymorphism-SNP) là sự khác biệt trong trình tự DNA ở một nucleotid;
– Chỉ thị phân tử của các trình tự lặp đơn giản (Simple Sequence Repeat-SSR) là những đoạn ngắn của DNA có chứa từ 2 đến 6 nucleotid có trình tự lặp lại liên tiếp từ 2 đến 40 lần;
– Chỉ thị phân tử đa hình của các đoạn cắt giới hạn (Cleaved Amplified Polymorphic Sequences-CAPS) là sự khác biệt về độ dài của các đoạn DNA bị cắt bởi enzym cắt giới hạn tại vị trí nucleotid khác biệt giữa hai cá thể;
– Chỉ thị phân tử đa hình của đoạn khuếch đại (Amplified Fragment Length Polymorphism-AFLP) là sự khác biệt về độ dài của các đoạn DNA đại diện cho các alen khác nhau sau khi khuếch đại.
Các chỉ thị phân tử có thể được nhận dạng thông qua các công nghệ hoặc thiết bị cơ bản trong sinh học phân tử như kỹ thuật khuếch đại gen (PCR), giải trình tự gen (Sequencing), phản ứng cắt của enzyme cắt giới hạn v.v…
2. Lịch sử và những bất cập của việc sử dụng các chỉ thị sinh học truyền thống trước đây trong chọn giống
Trước đây, các chỉ thị truyền thống bao gồm chỉ thị hình thái (sự khác biệt của những tính trạng có thể đánh giá bằng mắt thường như hình dáng hoặc màu sắc của lá, hoa hoặc hạt), chỉ thị tế bào (sự khác biệt về cấu trúc của nhiễm sắc thể) và chỉ thị protein (dựa trên sự hiện diện hoặc vắng mặt của protein đặc hiệu biểu hiện nên một tính trạng cụ thể) đã được sử dụng như một công cụ hỗ trợ để chọn lọc các tính trạng mong muốn trong công tác chọn tạo giống cây trồng, và đã đặt nền móng cho việc phát triển của chọn tạo giống hiện đại.
Tuy nhiên, chỉ thị truyền thống có những bất cập làm hạn chế việc sử dụng chúng trong chọn tạo giống (Xu, 2008), bao gồm:
– Hạn chế trong tính khả dụng (tính sẵn có) của các chỉ thị này;
– Nhiều chỉ thị được phát hiện lại không liên quan đến các tính trạng quan trọng của cây trồng (như tính trạng kháng bệnh, năng suất hoặc chất lượng cao);
– Một vài chỉ thị có liên quan với các tác động không mong muốn lên sinh trưởng hoặc phát triển của cây trồng;
– Việc sử dụng các chỉ thị này bị hạn chế do một số chỉ thị sinh học chỉ có thể quan sát trong một số giai đoạn phát triển nhất định của của cây trồng, thường là giai đoạn khi cây trưởng thành;
Từ những hạn chế của chỉ thị truyền thống và sau đó là sự ra đời của các kỹ thuật sinh học phân tử, những thành tựu gần đây trong công nghệ chỉ thị phân tử đã tạo ra một công cụ hữu ích cho việc giải quyết những bất cập nói trên. Theo Francia và cộng sự (2005), sau việc khám phá và phát triển của hàng loạt các chỉ thị phân tử trong suốt thập niên 80 và 90, việc sử dụng đồng thời cả hai phương pháp chỉ thị phân tử và chọn lọc giống truyền thống đã cung cấp một công cụ đầy sức mạnh và đáng tin cậy cho công cuộc chọn tạo giống hiện đại với những ưu điểm nổi bật sau:
– Chọn tạo giống dựa trên chỉ thị phân tử cho phép chọn lọc gen mong muốn ngay trong giai đoạn phát triển sớm của cây (ví dụ như giai đoạn cây con), do đó không nhất thiết phải đợi đến khi cây phát triển toàn diện, kể cả việc chọn lọc các tính trạng chỉ biểu hiện rõ ràng vào giai đoạn trưởng thành của cây. Đặc trưng này được đánh giá là rất quan trọng trong chọn tạo giống do nó giảm thiểu quãng thời gian dài chờ đợi cho việc đánh giá kiểu hình và loại bỏ các kiểu gen không mong muốn ngay từ đầu trong quá trình chọn tạo giống.
– Chỉ thị phân tử cho phép phân biệt kiểu gen là đồng hợp trội hoặc dị hợp giữa hai cá thể có biểu hiện một tính trạng hoặc kiểu hình giống nhau.
– Những chỉ thị phân tử này có liên quan chặt chẽ với gen chủ đích và không bị ảnh hưởng hay thay đổi bởi điều kiện môi trường bên ngoài, do đó có thể được sử dụng trong mọi điều kiện thí nghiệm (ví dụ như nhà kính, trên đồng ruộng, kể cả trong thí nghiệm trái mùa vụ). Đặc trưng này rất hữu ích trong việc chọn lọc tính trạng kháng bệnh trên cây trồng yêu cầu điều kiện thích hợp để biểu hiện ra thành tính trạng.
– Đối với những tính trạng lặn, phương pháp chọn tạo giống này sử dụng chỉ thị phân tử đồng ưu thế (biểu hiện của cả 2 alen trong cùng 1 cá thể) vẫn có thể nhận diện được các alen lặn trong cây dị hợp mà không cần tiến hành tự thụ phấn để khẳng định
– Kỹ thuật chọn giống này còn có thể nhận diện một gen cá biệt trong tổ hợp gen cùng quy định một tính trạng chung (trong trường hợp một tính trạng được quy định bởi nhiều gen). Điều này rất khó thực hiện trong trường hợp chọn tạo giống dựa trên kiểu hình bởi một trong các gen có thể lấn át các gen khác trong cùng tổ hợp gen.
Hình 1. Sơ đồ chọn lọc giống cây trồng sử dụng chỉ thị phân tử.
Dựa trên sự khác biệt giữa các băng điện di trên bản gel, các nhà chọn tạo giống có thể phân biệt được cây mẫn cảm hay cây kháng bệnh có kiểu gen đồng hợp hoặc dị hợp. (Nguồn: AGERI – Agriculture Genetic Egineering Research Institute và được chỉnh sửa bởi tác giả).
Cho đến nay, các chỉ thị phân tử DNA được coi là sự thay thế có giá trị và hiệu quả cao, được sử dụng rộng rãi không chỉ trong nhân giống cây trồng hiện đại mà còn trong nhân giống động vật và di truyền học ở người.
3. Những thành tựu trong việc chọn tạo giống cà phê kháng sâu bệnh trên thế giới nhờ sử dụng công nghệ chọn tạo giống dựa trên chỉ thị phân tử
Trên thế giới, đặc biệt ở Brazil, kỹ thuật chỉ thị phân tử được sử dụng nhiều để nghiên cứu chọn lọc giống cà phê kháng tuyến trùng và sâu bệnh. Việc giải trình tự gen cây cà phê cung cấp nguồn dữ liệu phong phú về sơ đồ và chức năng của hầu hết các gen quy định những tính trạng quan trọng trên cây cà phê. Dựa trên bộ dữ liệu này, hàng loạt các chỉ thị phân tử có liên kết với các gen mục tiêu đã được phát triển và ứng dụng trong chọn tạo giống cà phê trên thế giới.
Nghiên cứu của Pereira và cộng sự (2016) đã bước đầu tìm ra một số chỉ thị phân tử có liên hệ chặt chẽ với tính trạng kháng tuyến trùng nốt sưng Meloidogyne exigua trên con lai giữa hai giống cà phê Timor và Amarelo ở Brazil. Các chỉ thị này tiếp tục được khẳng định lại trên quy mô lớn hơn và mở ra triển vọng mới trong việc chọn tạo giống cà phê kháng tuyến trùng nốt sưng ở các quốc gia mà cây cà phê là cây trồng chủ lực.
De Brito và cộng sự (2010), Alkimim và cộng sự (2017) đã sử dụng thành công chỉ thị phân tử để chọn lọc các dòng cà phê chè có khả năng kháng gỉ sắt và bệnh khô cành khô quả ở Brazil.
Hình 2. Nhận biết chỉ thị phân tử đa hình của đoạn khuếch đại (AFLP) liên kết với gen SH3 quy định khả năng kháng bệnh gỉ sắt trên cây cà phê chè trên bản gel điện di.
Cây 1,3: Cây kháng bệnh có kiểu gen dị hợp; Cây 2: Cây kháng bệnh có kiểu gen đồng hợp; Cây 4,5,6: Cây mẫn cảm với bệnh gỉ sắt. Mũi tên màu đỏ chỉ alen quy định tính kháng bệnh gỉ sắt. (Nguồn: Alkimim và cộng sự, 2017).
Bên cạnh các nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn lọc giống cà phê kháng bệnh, một nghiên khác của Molino và cộng sự (2010) cũng đã tìm ra chỉ thị phân tử liên kết với gen kháng sâu bướm phấn trắng (leaf miner) – một loại sâu hại lá cà phê phổ biến tại Brazil.
4. Kết luận
Tóm lại, phương pháp chọn lọc giống truyền thống vẫn đóng vai trò quan trọng trong chọn tạo giống cây trồng. Tuy nhiên, sử dụng thêm các chỉ thị phân tử sẽ tạo điều kiện cho phương pháp cũ trong việc rút ngắn thời gian chọn giống, giảm nguồn lực và công sức mà vẫn cho hiệu quả và hiệu suất tốt hơn.
Trong những năm gần đây, các nước trồng cà phê chủ lực như Brazil đã có những bước phát triển mạnh trong chọn tạo giống cà phê nhờ áp dụng công nghệ chỉ thị phân tử gắn liền với tính trạng mục tiêu. Ở Việt Nam, công nghệ này đã được áp dụng trên nhiều loại cây trồng như lúa, rau màu…nhưng chưa có nghiên cứu nào ứng dụng sinh học phân tử trong chọn tạo giống cà phê. Những thành tựu to lớn mà công nghệ này đem lại cho công cuộc chọn tạo giống trên toàn thế giới sẽ gợi mở ra hướng mới hiệu quả hơn và tiết kiệm thời gian cho chọn lọc giống cà phê tại Việt Nam trong những năm sắp tới.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Alkimim, E.R., Caixeta, E.T., Sousa, T.V. (2017). Marker-assisted selection provides arabica coffee with genes from other coffee species targeting on multiple resistance to rust and coffee berry disease. Molecular Breeding. 37:1-10.
- Brito, G.G., Caixeta, E.T., Gallina, A.P. (2010). Inheritance of coffee leaf rust resistance and identification of AFLP markers linked to the resistance gene. 173:255-264.
- Francia, E., Tacconi, G., Crosatti, C., Barabaschi, D., Bulgarelli, D., Dall’Aglio, E., Valè, G. (2005). Marker assisted selection in crop plants. Plant Cell Tissue and Organ Culture. 82: 317-342.
- Molino, J., Silvestrini, M., Martinati, J., Guerreiro, F., Oliveiro, P., Maluf, M. (2010). Functional Markers in Assisted Selection – Study of an Expressed SSR Locus Associated with Leaf-Miner Resistance. 23rd International Conference on Coffee Science (Bali, Indonesia, ASIC) p.56.
- Pereira, T.B., Setotaw, T.A., Santos, D.N., Mendes, A.N.G., Salgado, S.M.L. (2016). Identification of microsatellite markers in coffeeassociated with resistance to Meloidogyne exigua. Genetics and Molecular Research. 15: 1-13.
- Xu, Y., Crouch, J.H. (2008). Marker-assisted selection in plant breeding: from publication to practice, Crop Science. 48:391-407.
Tổng hợp bởi Cù Thị Dần