Nghiên Cứu Bản Đồ Di Truyền Phân Tử Nguồn Gen Bí Đỏ

Theo Nguyễn Đức Thành, (2014) [17] SSR có thể phân biệt các cá thể có mối quan hệ gần. Điểm hạn chế quan trọng của kỹ thuật chỉ thị SSR là cần phải đọc trình tự genome để dựa vào đó có thể thiết kế các cặp mồi đặc thù và tối ưu hóa điều kiện các mồi cho từng loài trước khi sử dụng. Hiện nay, SSR là chỉ thị được chọn cho các nghiên cứu hồ sơ pháp lý, di truyền quần thể và nghiên cứu động vật hoang dã. Ở thực vật SSR được sử dụng trong nghiên cứu đa dạng di truyền, trong chọn cặp lai, trong xác định con lai và trong lập bản đồ liên kết phân tử.

Các gen/tính trạng quan tâm, chọn giống bằng phương pháp nhờ chỉ thị phân tử là việc sử dụng chỉ thị di truyền để kiểm soát khu vực chứa bộ gen mã hóa cụ thể đặc điểm của cây trồng. Hay nói cách khác, sử dụng chỉ thị phân tử liên kết chặt với locut gen đích để xác định tính trạng mong muốn thay cho kiểm tra hay đánh giá kiểu hình. Để việc chọn giống có hiệu quả, xác định được chỉ thị phân tử đa hình giữa bố mẹ và các cá thể trong quần thể phân tích. Với chỉ thị phân tử, cho phép các nhà chọn giống, xác định chính xác các gen/locus gen qui định những tính trạng mong muốn.

Các nghiên cứu về gen qui định tính trạng của cây bí đỏ là rất đáng kể, mặc dù chưa có bản đồ hoàn chỉnh về genome của các loài của Chi Cucurbita. Năm 2005, Harry et al., [53] đã công bố một danh sách gen của Cucurbita có 48 locut đa hình isozyme và 79 locut qui định tính trạng kiểu hình/hình thái được xác định. Trong đó có đến 66 gen được xác định cho loài C. pepo; 21 gen của C. moschata; 19 gen của C. maxima; con lai giữa C. maxima × C. ecuadorensis có 29 gen đã được xác định, có 25 gen là biến thể isozyme, một hoặc hai gen cũng đã được xác định trong bốn loài hoang dã (C. okeechobeensis, C. lundelliana, C. foetidissima và C. ecuadorensis) và trong phép lai khác loài khác. Đặc biệt là hai loài trồng trọt khác là C. argyrosperma và C. Ficifolia không có gen nào được xác định. Tác giả cũng chỉ đưa ra một số gen điển hình qui định một số tính trạng có giá trị cao trong công tác chọn giống bí đỏ. Ví dụ như đặc điểm về thân lá, trong loài C. pepo và C. maxima, alen Bu qui định lóng ngắn; còn gen lặn de là yếu tố quyết định loại hình thân sinh trưởng vô hạn ở C. moschata.

Theo Gwanama et al., (2000) [52], chỉ thị phân tử ADN đa hình được khuếch đại ngẫu nhiên (RAPD) cung cấp một phương pháp nhanh chóng và đáng tin cậy để giải quyết các mối quan hệ di truyền. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành phân tích đa dạng di truyền các giống C. moschata được trồng ở trung tâm Nam Phi và phân loại các giống nhằm hỗ trợ việc lựa chọn các kiểu gen bố mẹ để cải thiện các đặc tính của quả. Phân tích nhóm dựa trên 39 đoạn ADN đa hình và 105 đơn hình được khuếch đại bởi 16 đoạn mồi RAPD đã sử dụng để chỉ ra mối quan hệ giữa 31 kiểu gen thu được từ Zambia & Malawi. Ứng dụng có tính khả thi của kết quả phân loại trong chọn giống C. moschata đã được thảo luận trong nghiên cứu này.

Năm 2020, Hà Minh Loan [10] đã phân tích 100 mẫu giống bí đỏ với 41 chỉ thị SSR thấy rằng, có 23 chỉ thị cho các alen đa hình, số lượng alen cao (từ 2 đến 8 alen/locut, biến động kích thước của các alen khoảng 109bp đến 256bp. Đây là một trong số ít những kết quả nghiên cứu tiềm năng di truyền của cây rau bản địa.

Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử phục vụ chọn tạo giống bí đỏ trên thế giới và Việt Nam đã có nhiều, nhưng các công trình nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử với một số tính trạng chất lượng khác của bí đỏ, đi sâu về hàm lượng chất khô của bí đỏ là chưa nhiều, việc xác định chỉ thị liên kết, lập bản đồ phân tử liên kết với hàm lượng chất khô bí đỏ là chưa có. Vì vậy nghiên cứu này là cần thiết, giúp các nhà chọn giống lựa chọn được nhiều giống bí chất lượng, phục vụ sản xuất bí đỏ ở Việt Nam.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 201 trang tài liệu này.

Để chọn tạo giống lai (F1) cho năng suất cao, chất lượng tốt cần nắm được thông tin về mối quan hệ di truyền, bên cạnh các kết quả đánh giá sâu về đặc tính nông sinh học của các vật liệu nghiên cứu. Đoàn Xuân Cảnh và cs., (2019) [2] sử dụng 5 chỉ thị phân tử RAPD và 5 chỉ thị SSR để đánh giá đa dạng di truyền của 26 mẫu giống bí xanh. Từ kết quả điện di sản phẩm RAPD-PCR và SSR-PCR của các chỉ thị, bằng phần mềm NTSYSpc 2.1 đã phân 26 mẫu giống bí xanh thành 9 nhóm với hệ số tương đồng 0,7. Kết quả

nghiên cứu đã chỉ ra các mẫu giống có độ sai khác di truyền khá cao, chúng có ý nghĩa quan trọng trong tạo giống bí xanh lai mới.

Năm 2011, nhóm tác giả Ngô Thị Hạnh [5] cũng đã sử dụng 20 chỉ thị RAPD để xác định quan hệ di truyền giữa các giống dưa chuột, các dòng tự phối. Kết quả chỉ có 19 chỉ thị cho đa hình với tổng số 255 băng, khoảng cách di truyền giữa các giống và các dòng tự phối tương ứng là 0,2-0,56 và 0-0,54.

1.6. Nghiên cứu bản đồ di truyền phân tử nguồn gen bí đỏ‌

Một trong những ứng dụng quan trọng nhất của chỉ thị di truyền xây dựng bản đồ liên kết. Các bản đồ này được xây dựng dựa trên đánh giá kiểu gen một quần thể lớn lập bản đồ của các cá thể phân li và xác định tần số tái tổ hợp giữa các chỉ thị di truyền. Điều này cho phép thiết lập các nhóm liên kết của các chỉ thị liên kết với một vị trí tương đối gần dọc theo NST dựa trên khả năng di truyền. Lập bản đồ QTL phụ thuộc vào các phân tích liên kết tính toán thống kê, trong đó sử dụng quần thể mang gen quan tâm từ bố mẹ, chẳng hạn như các cá thể F2 hoặc dòng thuần tái tổ hợp. Việc xác định các chỉ thị liên kết chặt với các locut quan tâm bao gồm QTL, cho phép khả năng phát hiện ra gen.

Hiện tại vẫn còn ít nghiên cứu sâu về liên kết gen của Cucurbita và các nhà khoa học chưa nhiều lập được bản đồ (mapping) tới vị trí từng nhiễm sắc thể cụ thể hoặc xác định trình tự cụ thể. Mặc dù chỉ thị (isozyme) và chỉ thị ADN có giá trị cho nghiên cứu phân loại, chúng cũng có giá trị tiềm năng cho việc nghiên cứu các liên kết của gen với kiểu hình và đặc điểm hình thái. Tuy nhiên, chưa có hệ gen Cucurbita được xây dựng.

Nghiên cứu của Zhong et al., (2017) [114] sử dụng 3470 chỉ thị SNP để lập bản đồ, xác điṇ h chỉ thi ̣liên kết vớ i gen/QTL liên quan đến tính trạng của quả như: carotenoids, đường, đường kính quả, độ dày và chiều rộng.v.v. Kết quả nghiên cứ u đã xây dưng được bản đồ với tổng khoảng cách di truyền là 3087,03cM trên 20 nhóm liên kết với khoảng cách trung bình là 0,89cM, khoảng cách của các vùng QTL là từ 0,1cM đến 18,30cM. Trên nhóm liên kết LG20 tập trung chủ yếu các QTL liên quan đến lutein, carotene, tổng số

carotenoids.

Theo Karolina et al., (2020) [58], nghiên cứu xác định QTL liên kết với đặc điểm hình thái quả của bí đỏ (C. maxima Duchesne) bằng cách sử dụng 1824 chỉ thị phân tử (trong đó có 34 chỉ thị SSR, 1094 chỉ thị SNPs và 694 silicoDArTs) trên dòng lai tái tổ hợp (RILs). Kết quả đã xác định được 26 QTL cho 8 tính trạng; các QTLs nằm tập trung trên nhiễm sắc thể số 4.

Một nghiên cứu gần đây của Angel et al., (2020) [28], đã phát triển bản đồ di truyền từ 711 chỉ thi ̣SNP. Bản đồ di truyền thu được bao gồm 24 nhóm liên kết với chiều dài tổng thể là 2665 cM và khoảng cách trung bình là 3,7

cM. Nghiên cứu này là nguồn dữ liệu cho việc chọn lựa chỉ thị MAS trên C. moschata, cũng như các nghiên cứu cải thiện giống cây trồng.

Lập bản đồ cho loài C. pepo dựa trên hình thái học, chỉ thị RAPD, AFLP và một vài chỉ thị SSR được trình bày trong nghiên cứu của Zraidi et al., (2007) [116], [117]. Theo nghiên cứu của Gong et al., (2008) [49] sử dụng nhiều chỉ thị phân tử SSR, quan sát thấy mức độ vĩ mô giữa C. pepo và C. moschata. Các chỉ thị SSR đã bảo tồn thứ tự trong hai loài, đại diện cho các locus. Bản đồ loài C. pepo dựa trên một vài QTL giả định liên quan đến các tính trạng sinh dưỡng và sinh sản đã được xây dựng.

Trong nghiên cứu năm 2015, Guoyu Zhang et al., [56] đánh giá tổ hợp lai F2 của 182 cây bí đỏ giống Rimu và SQ026 đã thiết lập được bản đồ QTL có liên quan chặt đến chiều dài cây bí đỏ bằng cách tiếp cận kiểu gen, sử dụng SNPs. Đã xác định được bản đồ di truyền mật độ cao có chứa 458 chỉ thị phân tử, xác định được tổng khoảng cách là 2.566,8 cM trên 20 nhóm liên kết của loài C. maxima với mật độ điểm trung bình là 5.60 cM. Bản đồ cung cấp một nguồn tài nguyên có giá trị cho việc nhân bản gen và chọn giống nhờ chỉ thị phân tử cho bí đỏ và các loài khác. Xác định QTLs liên kết với tính trạng chiều dài dây leo này, giúp phân tích, đánh giá và là cơ sở để điều chỉnh sự tăng trưởng của cây bí đỏ.

Zhong et al., (2017) đã tổng hợp các QTL liên quan đến kích thước hạt được xác định trong 4 loại bầu bí chính (dưa hấu, bí đỏ/bí, dưa chuột và dưa lưới). Từ những QTL này, nhóm nghiên cứu đã tìm ra QTL liên kết với tính trạng kích thước hạt tương tự các cây bầu bí khác nhau [114].

Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong cải tiến chất lượng của bí đỏ của Shafiin et al., (2020) đã lập được bản đồ và xác định được 04 QTL liên quan đến hàm lượng carotenoid. Từ các kết quả phân tích kiểu hình và kiểu gen cho thấy mức độ biến dị kiểu hình dao động từ 13,2% đến 28,6%) [101],[114].

Esteras et al., (2012) lập bản đồ di truyền sử dụng quần thể F2 lai giữa 2 giống bí Zucchini (C.pepo subsp. pepo) và giống scallop (C.pepo subsp. ovifera). Kết quả thu được từ quần thể F2 đến các dòng RIL F8, đã xây dựng được bản đồ SNP mật độ cao (high-density SNP) và xác định được 48 QTL liên quan đến tính trạng nông học và tính trạng chất lượng ở bí đỏ [44].

Kazminska et al., (2020) [61] đã đánh giá các tính trạng và phân tích QTL của quần thể tái tổ hợp (RIL) được phát triển từ 2 giống có kiểu hình tương phản như năng suất, độ dày cùi, hàm lượng chất khô. Kết quả đã xác định được 26 QTL liên quan đến tính trạng chất lượng.

Các công trình công bố ở Việt Nam về cây bí đỏ nhìn chung còn nghèo nàn, tập trung nhiều ở sàng lọc các nguồn gen bí đỏ đã có. Tác giả Nguyễn Văn Dự (2009) [4], đã nghiên cứu tuyển chọn giống bí đỏ cho vùng đồng bằng; Lê Thị Thu & Đỗ Xuân Trường (2014) [16], nghiên cứu “Ảnh hưởng của tổ hợp phân bón đến sinh trưởng, phát triển của giống bí đỏ F1-LTP 868 tại Thái Nguyên”; Nguyễn Thị Tâm Phúc & cs., (2017) [14], “Đánh giá ban đầu một số giống bí đỏ tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia”, bước đầu cho thấy sự đa dạng đáng kể của nguồn gen bí đỏ thu thập tại Việt Nam; Ngô Thị Hạnh và cs., (2015) [6], đưa ra “kết quả đánh giá một số giống bí ngồi của Hàn Quốc vụ Đông năm 2013 tại Gia Lâm, Hà Nội”; Tác giả Trần Danh Sửu và Nguyễn Thị Tâm Phúc, 2018 [15] tiến hành xác định các tính trạng hình thái nông học của 50 mẫu giống bí đỏ địa phương cho thấy nguồn gen bí đỏ đa dạng về lá, quả, chất lượng và thời gian sinh trưởng. Hà Minh Loan và cs, 2020 [11] “Đánh giá khả năng kháng, nhiễm bệnh của tập đoàn bí đỏ địa phương trên đồng ruộng tại An Khánh, Nguyễn Thị Tâm Phúc và cs., (2017) [14], đã nghiên cứu đa dạng 50 nguồn gen cây bí đỏ tại Trung tâm Tài nguyên

thực vật, cho thấy tập đoàn bí đỏ rất đa dạng cả về nguồn gốc, phân bố và cả về loài. Các giống bí đỏ BRS1, SN, PT1 và HB2 là những giống bí rau triển vọng đã được các nhà khoa học của Học Viện Nông nghiệp Việt Nam tuyển chọn từ các giống địa phương và nhập nội đang được trồng thử nghiệm ở huyện Mê Linh, Hà Nội. Một số địa phương bà con cũng đã tuyển chọn giống bí đỏ trồng lấy hạt. Chính những nhu cầu sử dụng đa dạng cũng như phương thức canh tác của cộng đồng nông nghiệp khác nhau, làm cho tài nguyên cây bí đỏ ở Việt Nam ngày càng phong phú đa dạng.

Các nghiên cứu về đa dạng di truyền họ bầu bí và nguồn gen bí đỏ còn rất hạn chế, chỉ tập trung vào nghiên cứu đa dạng nguồn gen dựa vào các tính trạng hình thái và nông học, ít có nghiên cứu nào đi sâu về đánh giá đa dạng nguồn gen dựa vào các chỉ thị phân tử. Các nghiên cứu mới chỉ tập trung vào phân tích đa dạng giữa các giống dưa chuột thông qua chỉ thị SSR. Điển hình là nghiên cứu của Nguyễn Thị Lang và cs., (2007) [83], phân tích quan hệ di truyền dựa trên đặc điểm kiểu hình và sử dụng chỉ thị RAPD (6 chỉ thị) để hiểu biết đa dạng của 14 mẫu giống dưa chuột của Việt Nam.

1.7. Một số nhận xét rút ra từ tổng quan tài liệu‌

Nghiên cứu từ tổng quan cho thấy, cây bí đỏ đã được trồng lâu đời trên thế giới và ở Việt Nam. Cây trồng này có giá trị dinh dưỡng và giá trị sử dụng cao. Qua phân tích tình hình đánh giá tiềm năng di truyền, thu thập, lưu giữ nguồn gen bí đỏ cho thấy là rất có tiềm năng để khai thác, phát triển trong sản xuất hàng hóa; bởi chúng có những tính trạng quí như: chất lượng ngon, là thực phẩm chứa nhiều dinh dưỡng, đặc biệt là hàm lượng chất khô trong bí đỏ và khả năng chống chịu tốt. Những tính trạng như vậy, đang rất được quan tâm khai thác phục vụ cho nhu cầu về thực phẩm chất lượng cao, cũng như sử dụng nguồn gen chống chịu cho các vùng chịu tác động mạnh bởi biến đổi khí hậu hướng tới nền nông nghiệp sạch và bền vững. Gần đây, việc chuyển đổi cơ cấu sản xuất, đa dạng hóa cây trồng, việc trồng cây bí đỏ đã mang lại hiệu quả kinh tế cao cho người sản xuất, tuy nhiên cho đến nay các công trình nghiên cứu về bí đỏ còn rất nhiều khiêm tốn, chưa xứng tầm với vị trí vai trò

của bí đỏ trong nền kinh tế của thế giới và có nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, do đó đề xuất thực hiện đề tài này là rất cần thiết, để tạo ra cơ sở dữ liệu khoa học cũng như nguồn vật liệu phục vụ cho công tác khai thác nguồn bí đỏ đầy tiềm năng ở nước ta.

Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử chọn tạo giống bí đỏ trên thế giới đã có những kết quả đáng kể, việc đánh giá đa dạng di truyền nguồn gen bí đỏ sử dụng chỉ thị hình thái nông học, chỉ thị phân tử cũng đã được thực hiện ở một số nước như Brasil, Mỹ, Costa Rica, Trung Quốc ….

Tại Việt Nam, mặc dù bí đỏ đã được trồng, bảo tồn và sử dụng lâu đời nhưng các nghiên cứu về chúng còn rất hạn chế, phần lớn tập trung vào việc đánh giá hình thái, tuyển chọn giống theo phương pháp truyền thống. Các nghiên cứu mớ i chỉ tập trung vào đánh giá sơ bộ, bướ c đầu về đặc điểm hình

thái, nông sinh học; chưa có các nghiên cứu lai tạo giống bí đỏ có định hướng

(chất lượng, chống chịu,...) song song với việc áp dụng các tiến bộ của công nghệ sinh học giúp phân tích, xác định được mối quan hệ di truyền của các dòng cùng quần thể, hiểu biết sâu sắc về vị trí, vai trò của gen qui định tính

trạng nông hoc tạo bước đột phá rút ngắn thời gian trong việc sàng lọc, đánh

giá con lai để đưa ra giống mới một cách nhanh nhất. Mặt khác hàm lượng chất khô của bí đỏ tỷ lệ thuận với chất lượng, do đó khi hàm lượng chất khô cao thì các chất dinh dưỡng trong bí đỏ đa phần cũng cao [48]; [106]. Cho đến nay cũng có một vài nghiên cứu về hàm lượng chất khô trong bí đỏ, nhưng số lượng còn rất ít, đặc biệt là những nghiên về ứng dụng chỉ thị phân tử để chọn tạo giống bí đỏ có hàm lượng chất khô cao là chưa có. Sử dụng chỉ thị phân tử di truyền để kiểm soát tốt khu vực chứa bộ gen mã hóa cụ thể đặc điểm của cây bí đỏ, hay nói cách khác, sử dụng chỉ thị phân tử liên kết với locut gen đích, giúp xác định tính trạng mong muốn thay cho kiểm tra hay đánh giá kiểu hình. Để chọn giống có hiệu quả, phải xác định được chỉ thị phân tử đa hình giữa bố mẹ và các cá thể trong quần thể để phân tích. Mức độ xác định chỉ thị phân tử đa hình phụ thuộc vào hệ thống chỉ thị được sử dụng. Với chỉ thị phân tử, giúp các nhà chọn giống xác định được chính xác các gen/locut gen qui

định những tính trạng mong muốn. Các gen locut này cũng sẽ được chuyển vào các giống mới trong quá trình chọn tạo giống bằng chỉ thị phân tử. Phát triển các kỹ thuật chỉ thị phân tử đã đặt nền móng cho những phân tích đa dạng di truyền giữa các loài, điều này rất quan trọng để làm rõ mối quan hệ tiến hóa và phân loại cũng như cung cấp thông tin để hiểu thêm về sự biến đổi trong hệ gen với phạm vi giữa các loài khác nhau. Quan trọng hơn nữa là khả năng đánh giá đa dạng di truyền của cây trồng nói chung, cây bí đỏ nói riêng, giúp phát triển các chương trình chọn tạo giống bền vững, phục vụ sản xuất.

Từ cơ sở khoa học nói trên, nghiên cứu đa dạng di truyền là chìa khóa cho công tác chọn tạo giống và quản lý, khai thác nguồn gen. Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử chỉ thị phân tử ADN, mà trong số các chỉ thị thì chỉ thị SSR được xem là hiệu quả nhất trong nghiên cứu đa dạng di truyền nguồn gen cây trồng do tính đồng trội và độ chính xác cao [11]. Việc thực hiện đề tài nghiên cứu đánh giá và khai thác nguồn gen bí đỏ của tập đoàn mẫu giống bí đỏ địa phương đang lữu giữ và bảo tồn tại Ngân hàng gen cây trồng Quốc gia là cần thiết, có ý nghĩa thực tiễn rất lớn phục vụ công tác khai thác và chọn tính trạng mong muốn thay cho kiểm tra hay đánh giá kiểu hình.