Tình Hình Sản Xuất Và Chọn Tạo Giống Đậu Tương

- Tạo được các dòng đậu tương mang đột biến định hướng trên hai gen mã hóa enzyme GOLS thông qua hệ thống chỉnh sửa gen CRISPR/Cas9.

- Phân tích đặc điểm, tính di truyền và ảnh hưởng của các đột biến định hướng trên hai gen mã hóa enzyme GOLS đến hình thái, sinh trưởng phát triển và thành phần hạt của các dòng đột biến tiềm năng.

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học khẳng định vai trò của các gen GmGOLS tới thành phần đường trong hạt đậu tương, đồng thời cho thấy tiềm năng và hiệu quả gây tạo đột biến định hướng trên cây đậu tương thông qua hệ thống chỉnh sửa hệ gen CRISPR/Cas9.

 Ý nghĩa thực tiễn

Các dòng đậu tương đột biến không mang gen chuyển là vật liệu cho công tác chọn dòng, lai tạo và phát triển các giống đậu tương Việt Nam có năng suất và chất lượng tốt.

4. Những đóng góp mới của luận án

- Đã thiết kế thành công cấu trúc chỉnh sửa hệ gen CRISPR/Cas9 nhằm gây tạo đột biến định hướng trên các gen mã hóa enzyme GOLS và kiểm tra hoạt động thông qua hệ thống cảm ứng rễ tơ in vitro trên giống đậu tương ĐT22 và ĐT26.

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 122 trang tài liệu này.

- Tạo thành công các dòng đậu tương mang đột biến định hướng trên các gen mã hóa cho enzyme GOLS và xác định được các dòng đậu tương (mang đột biến tiềm năng có hàm lượng đường khó tiêu trong hạt giảm.

- Khẳng định vai trò của hai gen GmGOLS03và GmGOLS19tới con đường sinh tổng hợp đường khó tiêu họ raffinose trên cây đậu tương.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tình hình sản xuất và chọn tạo giống đậu tương

1.1.1 Tình hình sản xuất

1.1.1.1 Tình hình sản xuất đậu tương trên thế giới

Đậu tương là cây thực phẩm ngắn ngày, giàu dinh dưỡng, có giá trị kinh tế cao, được dùng làm thực phẩm cho con người, thức ăn cho gia súc, nguyên liệu cho công nghiệp, làm hàng xuất khẩu và là loài cây cải tạo đất trồng rất tốt [1]. Do có khả năng thích nghi rộng với các điều kiện khí hậu và sinh thái khác nhau nên đậu tương được trồng rộng rãi trên cả năm châu lục, tập trung nhiều nhất ở Châu Mỹ kế tiếp là Châu Á, sản lượng đậu tương trên thế giới từ năm 2009 đến 2018 đều tăng (Hình1.1). Bình quân hàng năm trên thế giới có khoảng 91 triệu ha đậu tương được gieo trồng với năng suất bình quân khá cao 22-23 tạ/ha. Trong đó 90% sản lượng đậu tương thế giới tập trung vào năm nước Mỹ, Brazil, Arghentina, Trung Quốc và Ấn Độ. Mỹ là nước có diện tích, năng suất đậu tương đứng vào loại hàng đầu thế giới. Năm 2014, diện tích đậu tương chuyển gen trồng ở Mỹ đạt 82% (90,7 triệu ha) trong tổng số 111 triệu ha đậu tương trồng trên toàn thế giới [2].

Hình 1.1. Biểu đồ thể hiện sản lượng cây đậu tương trên thế giới (2009-2018)

Nguồn: Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA)*số liệu dự báo

Một trong những nguyên nhân dẫn đến việc tăng diện tích gieo trồng là do nhu cầu tiêu thụ đậu tương trên thế giới tăng bình quân 4-5%/năm, riêng Trung Quốc tăng 8% bình quân tiêu dùng đậu tương tại Trung Quốc là 36,2 kg/người/năm. Châu Á là nơi tiêu thụ gần 90 triệu tấn/năm, chiếm 40% sản lượng đậu tương toàn cầu. Tuy nhiên, sản xuất tại chỗ mới đạt 26,6 triệu tấn/năm còn phải phụ thuộc tới 70% vào lượng đậu tương nhập khẩu (khoảng 63,3 triệu tấn/năm). Trong số các nước châu Á, Trung Quốc là nước có diện tích đậu tương lớn nhất 8,8 triệu ha, năng suất cao nhất 16,5 tạ/ha đứng hàng thứ tư trên thế giới. Ở khu vực Đông Nam Á, Indonesia là nước có diện tích trồng đậu tương lớn nhất với 0,72 triệu ha. Thái Lan là nước đạt năng suất cao nhất đạt 16,3 tạ/ha, kế đến là Việt Nam 14,6 tạ/ha, thấp nhất là Philippines 10,0 tạ/ha. Theo FAO năm 2019 diện tích trồng đậu tương trên thế giới đặt 121 triệu ha và sản lượng đặt 2,8 tấn/ha [2].

1.1.1.2 Tình hình sản xuất đậu tương ở Việt Nam

Ở nước ta, cây đậu tương được phát triển từ rất sớm với giống đầu tiên từ cây hoang dại sau đó được thuần hóa và được trồng như một cây có giá trị dinh dưỡng cao. Từ năm 1993 cả nước đã hình thành sáu vùng sản xuất đậu tương chủ lực bao gồm vùng Đông Nam Bộ với diện tích trồng đậu tương lớn nhất cả nước (chiếm 26,2% diện tích đậu tương của cả nước), khu vực miền núi Bắc Bộ (24,7%), vùng đồng bằng sông Hồng (17,5%), đồng bằng sông Cửu Long (12,4%). Tổng diện tích sáu vùng này chiếm 66,6% tổng diện tích đậu tương cả nước. Về mùa vụ, đậu tương trồng ở vụ xuân chiếm 14,2% diện tích, vụ hè thu (31,2%), vụ mùa (2,68%), vụ thu đông (22,1%), vụ đông xuân (29,7%) [1].

Hình 1.2. Biểu đồ thể hiện sản lượng cây đậu tương ở Việt Nam (2009-2018)

Nguồn: Tổng cục thống kê *số liệu dự báo

Tuy nhiên với các phương pháp canh tác truyền thống, bộ giống năng suất thấp, sản xuất nhỏ lẻ, giá thành sản xuất cao, lãi suất thấp, dẫn đến giá thành đậu tương trong nước không có khả năng cạnh tranh với đậu tương nhập khẩu. Đây là nguyên nhân khiến cho nông dân không mặn mà với cây đậu tương. Vì vậy, diện tích và sản lượng đậu tương của nước ta phát triển chậm. Năm 2012, sản lượng đậu tương nước ta giảm 34,3% so với cùng kỳ năm trước, xuống còn 173,7 nghìn tấn do thời tiết lạnh khắc nghiệt vào cuối năm 2011 đến đầu năm 2012 khiến cho năng suất và diện tích gieo trồng giảm mạnh. Sản lượng đậu tương tiếp tục giảm trong những năm tiếp theo từ 2012 đến 2016 trước khi tăng trở lại vào năm 2017. Tuy nhiên, quy mô sản xuất đậu tương vẫn còn rất nhỏ so với các loại cây trồng khác và thấp hơn nhiều so với nhu cầu trong nước, cũng như so với mục tiêu 2020 của Chính phủ Việt Nam được trình bày trong "Kế hoạch phát triển nông nghiệp và nông thôn giai đoạn 2016- 2020" là 265 nghìn tấn đậu tương trên diện tích canh tác 166 nghìn ha. Theo số liệu thống kê sơ bộ của Cục thống kê năm 2020 diện tích đậu tương trồng trên cả nước đạt 41,6 nghìn ha, sản lượng đạt 65,4 nghìn tấn [3].

1.1.1.3 Yêu cầu đặt ra trong chọn tạo giống đậu tương ở nước ta

Đậu tương là giống cây công nghiệp ngắn ngày, có thị trường tiêu thụ rộng lớn, là nguồn nguyên liệu được sử dụng trong các ngành công nghệ chế biến thực phẩm, dược phẩm, chế biến thức ăn gia súc…. Tuy nhiên, sản lượng đậu tương trong nước không đáp ứng đủ nhu cầu và chúng ta đang phải nhập khẩu phần lớn lượng đậu tương để đáp ứng nhu cầu sử dụng. Hầu hết ở các vùng trồng trọt trong cả nước, đậu tương được trồng theo hình thức canh tác nhỏ lẻ theo qui mô hộ gia đình, chi phí sản xuất tương đối cao, trong khi giá trị kinh tế thu được từ việc sản xuất đậu tương không bằng các loại cây trồng khác nên người dân ít chú trọng mở rộng diện tích [4]. Bên cạnh đó, tác động của sâu bệnh hại và thiếu bộ giống chất lượng, thích hợp cho từng vùng miền canh tác cũng là một trong những nguyên nhân chính ảnh hưởng đến năng xuất gieo trồng và sản lượng đậu tương của nước ta.

Lợi thế của sản xuất đậu tương trong nước là có thị trường tại chỗ nên giảm

được chi phí vận chuyển, chất lượng hạt tươi mới, phù hợp với khẩu vị của người dân. Để phát triển sản xuất đậu tương trong nước giải pháp chủ yếu cần phấn đấu là giảm giá thành sản xuất dựa trên cơ sở tăng diện tích trồng, tăng năng suất, tăng phẩm chất hạt. Ngoài ra, khâu chọn giống đóng vai trò hết sức quan trọng trong chiến lược phát triển cây đậu tương ở Việt Nam. Các giống đậu tương bản địa phù hợp với điều kiện sinh thái và có khả năng thích nghi tốt với điều kiện trồng trọt của từng vùng miền sẽ là thế mạnh so với các giống ngoại nhập.

Tuy nhiên, hầu hết các giống này có năng suất và chất lượng hạt chưa cạnh tranh được so với các giống ngoại nhập. Do vậy, việc cải tạo các giống đậu tương trong nước theo hướng tăng năng suất, tăng chất lượng, tăng khả năng chống chịu ... là chiến lược quan trọng trong công tác chọn tạo giống đậu tương của nước ta trong những năm gần đây.

1.1.2 Các phương pháp phổ biến sử dụng trong chọn tạo giống đậu tương

1.1.2.1 Các phương pháp chọn tạo giống truyền thống

Chọn lọc

Bản chất của phương pháp chọn lọc chính là quá trình lựa chọn các giống cây trồng có năng suất cao và chất lượng tốt, có khả năng kháng sâu bệnh hay có khả năng chống chịu stress của môi trường, thay đổi thời gian chín hoặc các đặc tính nông học tốt.... Ở đậu tương, phương pháp này thường được các nhà nghiên cứu áp dụng nhằm chọn lọc các giống nhập nội hay chọn lọc trực tiếp từ nguồn vật liệu di truyền và nguồn gen của các giống địa phương.

Lai tạo

Lai hữu tính được xem là phương pháp cơ bản để tạo ra các vật liệu, biến dị di truyền cho chọn giống. Nhờ lai tạo giống mà người ta có thể phối hợp những đặc tính hay tính trạng có lợi của các dạng bố mẹ và con lai [5]. Đậu tương là cây tự thụ phấn, tỉ lệ giao phấn chỉ từ 0,5% đến 1%, nên khả năng lai để tạo ra tổ hợp thường thành công với tỉ lệ thấp. Tuy vậy, đã có nhiều giống đậu tương nước ta được tạo ra bằng phương pháp lai cho năng suất cao, ví dụ như giống VN1. Trong giai đoạn 1985 – 2005 các nhà chọn tạo giống đậu tương Việt Nam đã lai tạo được 15 giống đậu tương được công nhận là giống quốc gia.

Đột biến

Đột biến là phương pháp được nhiều nhà nghiên cứu ở nhiều nước áp dụng trong chọn tạo giống cây trồng, bởi các ưu điểm có thể sửa chữa, khắc phục những tính trạng không mong muốn và tổng hợp nhiều tổ hợp tính trạng nhằm tăng phẩm chất, tăng giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cho cây trồng. Cụ thể như làm tăng chất lượng hạt, tăng số lượng quả, tăng trọng lượng hạt hay điều khiển hình thái cao - thấp của cây và ngược lại, tăng hoặc giảm thời gian sinh trưởng, cải thiện được tổ hợp các đặc tính kinh tế ở các giống địa phương theo hướng có lợi mà vẫn giữ được các đặc tính quý của giống gốc. Đậu tương là đối tượng được nhiều nước nghiên cứu tạo giống bằng phương pháp xử lý đột biến cảm ứng nhằm tạo ra các giống và nguồn vật liệu mới. Việc sử dụng các tác nhân gây đột biến trên đậu tương đã đạt được nhiều kết quả thành công ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tác nhân lý hóa để tạo giống đậu đột biến và đã thu được nhiều kết quả khả quan, các giống mới được tạo ra có triển vọng ứng dụng vào sản xuất như giống V70, ĐT84 có năng suất cao, thời gian sinh trưởng ngắn, khả năng chống chịu sâu bệnh tốt, khả năng thích ứng rộng .

1.1.2.2 Chọn tạo giống đậu tương với sự trợ giúp của chỉ thị phân tử và công nghệ gen

Sử dụng chỉ thị phân tử DNA trong chọn tạo giống đậu tương

Các chỉ thị phân tử DNA như RFLP (restriction fragment length polymorphism), RAPD (random amplified polymorphic DNA), AFLP (amplified fragment length polymorphism), SSR (simple sequence repeat), SNP (single nucleotide polymorphism) kết hợp việc sử dụng bản đồ QTL (Quantitative Trait Loci) đã được áp dụng hiệu quả phục vụ yêu cầu chọn giống tạo giống cây trồng trong đó có cây đậu tương.

Các công trình nghiên cứu chọn tạo giống đậu tương điển hình như: Hwang và cộng sự đã phân tích đa hình về độ dài của 377 dấu hiệu lặp lại trình tự đơn giản (SSR) trong 87 loại đậu tương ưu tú được trồng tại Nhật Bản và giống cây hoang dã, đã xác định được sự tương quan giữa các locus của các giống đậu tương có cùng nguồn gốc địa lý, điều này có ý nghĩa quan trọng và thuận lợi cho việc lập bản đồ di truyền của các đặc điểm quan trọng về mặt nông học cũng như việc chọn tạo giống

[6]. Nghiên cứu của Nguyễn Lộc Hiền (2017) về đánh giá sự đa dạng di truyền của 22 giống đậu tương rau Nhật Bản dựa trên 15 tính trạng hình thái-nông học, 40 primer RAPD và 26 primer SSR, cho kết quả có 62,85% đặc điểm hình thái-nông học được mô tả là đa hình. So với chỉ thị hình thái, chỉ thị RAPD và SSR đã chỉ ra mức độ khác biệt cao hơn và hiệu quả trong phân tích đa dạng di truyền chỉ thị RAPD với 70,32% đa hình và 94% chỉ thị SSR là đa hình. Phân tích nhóm dựa trên 3 loại chỉ thị phân tử này đã phân 22 giống nghiên cứu thành 4 nhóm với khoảng cách Euclidean là 4,47- 10,05. Mức độ đa dạng di truyền cho thấy sự khác biệt giữa các giống đủ để sử dụng cho việc chọn tạo giống mới. Bốn giống Wase edamame, Fusanari chamame, Chuse edamame và Yuusuzumi có quan hệ xa về mặt di truyền so với các giống khác và đây là nguồn vật liệu lai tạo quan trọng cho tương lai [7].

Ứng dụng công nghệ gen trong chọn tạo giống đậu tương

Chuyển gen là kỹ thuật đưa đoạn DNA ngoại lai vào hệ gen tế bào chủ nhằm cải biến tế bào chủ mang đặc tính mong muốn. Các ứng dụng ban đầu về chuyển gen cây trồng chủ yếu tập trung vào các đặc tính phù hợp với quá trình sản xuất nông nghiệp như kháng thuốc diệt cỏ, kháng bệnh do côn trùng, kháng yếu tố bất thuận của môi trường (hạn, mặn, chua của đất…). Về sau, các kỹ thuật di truyền chú trọng hơn vào các đặc tính chất lượng cây trồng chuyển gen, tạo nên sự đa dạng trong thành tựu chuyển nạp gen vào cây trồng. Cụ thể như cây đậu tương chuyển gen tăng cường hàm lượng dầu Oleic và amino acid đang được thử nghiệm ở Mỹ [8].

Hai phương pháp sử dụng rộng rãi nhất trong chuyển gen vào cây đậu tương là chuyển gen thông qua vi khuẩn (Agrobacterium-mediated transformation) và phương pháp chuyển gen sử dụng súng bắn gen (particle bombardment). Trong đó, phương pháp chuyển gen thông qua vi khuẩn Agrobacterium là phương pháp đơn giản, không yêu cầu cao về trang thiết và chi phí thấp nên đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều phòng thí nghiệm và đơn vị nghiên cứu chọn tạo giống đậu tương. Các vật liệu chuyển gen đậu tương phổ biến là gốc lá mầm, phôi chưa chín, đỉnh phôi, trụ dưới lá mầm, mô lá...rất nhiều tính trạng quan trọng của cây đậu tương đã được cải tạo và phát triển thông qua kỹ thuật chuyển gen như kháng sâu, chống chịu sâu bệnh ngoại cảnh, kháng thuốc diệt cỏ…Trong đó, tính trạng kháng thuốc diệt cỏ được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến nhất với nhiều loại gen chuyển được sử dụng như,

gen CP4 EPSPS (kháng glyphosate), gen bar hoặc pat (kháng glufosinate ammonium)…Từ năm 2015 đến 2019, Mỹ có diện tích cây trồng biến đổi gen lớn nhất trên toàn thế giới đạt mức 71,5 triệu ha trong đó đậu tương biến đổi gen chiếm 48,2 % diện tích trên; năm 2020 có 94% giống cây đậu tương đã được biến đổi gen để kháng thuốc diệt cỏ [1].

1.2 Sinh tổng hợp đường khó tiêu RFOs trong cây đậu tương

1.2.1. Nhóm đường khó tiêu RFOs trong thành phần hạt đậu tương

1.2.1.1 Thành phần hạt đậu tương

Hạt đậu tương là nguồn nguyên liệu cho ngành công nghiệp thực phẩm chế biến các sản phẩm như bột đậu tương, sữa bột đậu tương, sữa chua đậu tương, nước tương, chao, làm giá đỗ, tào hũ, đặc biệt là dầu đậu tương. Hàm lượng lipid trong hạt đậu tương chiếm 12,5–25,0% chứa thành phần các axit béo không no với hàm lượng cao trong khi tổng số chất béo chiếm khoảng 18%, đây được xem là nguồn dầu thực vật quan trọng. Hàm lượng protein trong hạt đậu tương chiếm tỉ lệ cao nhất 35-50%, theo các chuyên gia dinh dưỡng protein có nguồn gốc từ đậu tương có giá trị dinh dưỡng ngang bằng protein có nguồn gốc từ động vật vì thế đậu tương còn được gọi là “thịt không xương“. Ngoài ra, thành phần hạt còn chứa glucid (10-15%), các vitamin nhóm B như B1, B2, B6, vitamin E,… sắt, canxi, photpho; các thành phần giúp ích cho sức khỏe con người như phytosterol, lecithin, isoflavon, phytoestogen và những sản phẩm ức chế phân hủy protein [1]. Bên cạnh đó, hạt đậu tương còn chứa từ 15 đến 20 loại hợp chất carbohydrate hòa tan khác nhau chiếm khoảng 15 đến 25% trọng lượng khô của hạt. Trong đó, nồng độ của nhóm đường RFOs chiếm hơn 50% tổng lượng đường hòa tan [9]. Các nhà khoa học đã chứng minh rằng sự hiện diện của RFOs trong khẩu phần ăn của động vật khiến thức ăn đi qua hệ tiêu hóa nhanh hơn từ đó làm giảm lượng các chất dinh dưỡng khác được hấp thụ từ thức ăn [10].

1.2.1.2 Nhóm đường khó tiêu họ raffinose (Raffinose Family Oligosacharides)

Một trong những hạn chế chính của nguồn carbohydrate đậu tương là sự hiện diện của các Oligosaccharide thuộc họ Raffinose (RFOs) bao gồm raffinose, stachyose và verbascose. Chúng là các mono-, di- và tri-galactoside của sucrose, thành phần chính có trong hạt đậu tương, tồn tại ở dạng carbohydrate có thể hòa tan trong nước [11].