NỘI DUNG Trang
Lời tựa
Chương 1: Giới thiệu tổng quát
Ứng dụng công nghệ sinh học trong cải tiến giống cây trồng
chống chịu điều kiện bất lợi của môi trường
1-1. Khô hạn
1-2. Đất mặn
1-3. Đất acid và đất bạc màu
1-4. Nhiệt độ lạnh và nhiệt độ nóng
1-5. Bản đồ gen và sự phát triển marker phục vụ phân tích di truyền
1-6. Cơ chế sinh lý họ
c và di truyền đối với hiện tượng chống chịu stress
1-7. Tiến độ cải tiến giống chống chịu
1-8. Kỹ thuật thanh lọc có tính khả thi với qui mô lớn
1-9. Genome học, ngành học di truyền mới
1-10. Hiện tượng synteny và genomics có tính chất so sánh
1-11. Ứng dụng genomics trong cải tiến giống cây trồng
1-11-1.Thư viện DNA
1-11-2. Kỹ thuật cloning các gen
1-11-3. Microarray
1-11-4. Quần thể knockout
1-11-5. Kỹ thuật chuyển nạp gen
1-12. Phân tích QTL
1-12-1. Những mô hình v
ề di truyền số lượng
1-12-1-1. Mô hình QTL đơn (single-QTL)
1-12-1-2. Mô hình “multiple-locus”
1-12-2. Phương pháp phân tích marker đơn (SMA)
1-12-2-1. SMA trên quần thể hồi giao
1-12-2-2. Kết hợp hiện tượng phân ly của QTL và marker
1-12-2-3. Phép thử t đơn giản trong quần thể hồi giao
1-12-2-4. Phân tích phương sai trong quần thể hồi giao
1-12-2-5. Mô phỏng trong quần thể hồi giao
1-12-3. Phương pháp SMA trong quần thể F
2
1-12-4. Phân tích QTL trên cơ sở bản đồ cách quãng (interval mapping)
1-12-4-1. Bản đồ cách quãng trong quần thể hồi giao (BC)
1-12-4-2. Bản đồ cách quãng trong quần thể F
2
1-12-5. Khả năng giải thích về thống kê sinh học của bản đồ QTL
Chương 2: Cơ sở di truyền tính chống chịu mặn
2-1. Đất mặn
2-2. Cơ chế chống chịu mặn
2-3. Di truyền tính chống chịu mặn
2-3-1. Nghiên cứu di truyền số lượng tính chống chịu mặn
2-3-2. Nghiên cứu di truyền phân tử tính chống chịu mặn
2-4. Sự thể hiện gen chố
ng chịu mặn
2-4-1. Phổ thể hiện transcript
2-4-2. Phân tích microarray
2-4-3. Đặc điểm thể transcript của giống lúa chống chịu mặn
trong điều kiện bị stress
2-4-4. Vai trò của abscisic acid, jasmonate, proline
2-5. Nghiên cứu chuyên đề
Cải tiến giống lúa chống chịu mặn ở ĐBSCL
2-5-1. Vật liệu & phương pháp
2-5-2. Kết qủa & thảo luận
2-5-2-1. Xác định vật liệu lai tạo
2-5-2-2. Nghiên cứu cơ chế chống chịu mặn
2-5-2-3. Phân tích bản đồ di truyền QTL tính chống chịu mặn
2-5-2-4. Chọn giống chống chịu mặn nhờ marker phân tử (MAS)
2-5-2-5. Phát triển giống lúa triển vọng cho vùng bị nhi
ễm mặn
Chương 3: Cơ sở di truyền tính chống chịu khô hạn
3-1. Xác định tính trạng thành phần trong chống chịu khô hạn
3-2. Những marker phân tử DNA và bản đồ QTL
3-3. Bản đồ QTL đối với tính trạng rễ lúa
3-4. Bản đồ QTL đối với tính trạng điều tiết áp suất thẩm thấu (OA)
3-5. Bản đồ QTL đối với tính trạng biểu hiện màu xanh cao lương (STG)
3-6. Bản đồ QTL các tính trạ
ng hình thái quan trọng
3-7. Chuyển nạp gen mục tiêu
3-8. Cơ chế truyền tín hiệu
3-9. Gen & sự khám phá lộ trình thông qua genome học chức năng
Chương 4: Cơ sở di truyền tính chống chịu ngập úng
4-1. Tổng quan nghiên cứu trước đây
4-2. Hình thái học của cây lúa thích nghi với vùng bị lũ lụt
4-3. Khả năng vươn lóng
4-3-1. Di truyền về khả năng vươn lóng
4-3-2. Nghiên cứu lúa nổi ở ĐBSCL
4-4. Di truyền tính chống chị
u ngập hoàn toàn
4-5. Cơ chế chống chịu ngập về sinh lý học
4-5-1. Diệp lục tố
4-5-2. Carbohydrate
4-5-3. Hàm lượng nitrogen
4-5-4. Hoạt động của peroxidase
4-6. Nghiên cứu bản đồ di truyền tính trạng vươn lóng
4-7. Clone hóa gen OsGAPDH điều khiển tính chống chịu ngập
4-7-1. Phân tích Southern
4-7-2. Phân tích Northern
4-7-3. Sự thể hiện dung hợp GST-OsGAPDH
Chương 5: Cơ sở di truyền tính chống chịu độ độc nhôm
5-1. Giống lúa nước sâu chống chịu
độ độc nhôm ở ĐBSCL
5-2. Xác định QTL điều khiển tính chống chịu độ độc nhôm
5-2-1. Điều tra đa hình trong bố mẹ
5-2-2. Phân ly và thiết lập bản đồ
5-2-3. Bản đồ QTL
5-2-4. Phân tích epistasis
5-2-5. Ứng dụng marker trong chọn giống chống chịu và gen ứng cử viên
5-2-6. Tạo ra clone của những QTL chống chịu nhôm từ lúa hoang
5-3. Chọn tạo giống lúa chống chịu nhôm
Chương 6: Cơ sở di truyền tính chống chịu thiếu lân
6-1. Giới thiệu chung
6-1-1. Đất thiếu lân
6-1-2. Hiện tượng thiếu lân trên cây lúa
6-1-3. Biểu hiện của giống lúa chống chịu thiếu lân
6-1-4. Kỹ thuật thanh lọc
6-2. Cơ chế chống chịu thiếu lân
6-3. Di truyền tính chống chịu thiếu lân
6-3-1. Lập bản đồ QTL bằng AFLP
6-3-2. Lập bản đồ
QTL bằng RFLP
6-3-3. Gen Pup-1: QTL chủ lực làm gia tăng khả năng hấp thu lân
6-4. Phân tích di truyền số lượng
Chương 7: Cơ sở di truyền tính chống chịu độ độc sắt
7-1. Giới thiệu chung
7-2. Kỹ thuật thanh lọc
7-3. Nghiên cứu di truyền phân tử tính chống chịu độc sắt
7-3-1. Tính chống chịu độ độc sắt trong quần thể đơn bội kép IR64/Azucena
7-3-2. Tính chống chịu độ độc sắ
t trong quần thể cận giao Nipponbare/Kasalath //
Nipponbare
Chương 8: Cơ sở di truyền tính chống chịu nhiệt độ lạnh
8-1. Giới thiệu chung
8-2. Di truyền tính chống chịu lạnh
8-2-1. Bản đồ QTL trên nhiễm sắc thể số 4
8-2-2. Vị trí trên bản đồ của Ctb-1 và Ctb-2.
8-2-3. Tính chống chịu lạnh và chiều dài túi phấn
8-2-4. Bản đồ QTL tính trạng chống chịu lạnh ở giai đoạn làm đòng
8-3. S
ự truyền tín hiệu và phản ứng điều tiết áp suất thẩm thấu
8-3-1. Điều tiết phản ứng phát quang sinh học của Arabidopsis
8-3-2. Phân lập dòng đột biến có mức độ phát quang sinh học thay đổi
8-4. Sự biến đổi protein theo nhiệt độ, mặn & khô hạn
Bản chỉ dẫn (index)
Chương 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUÁT
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG CẢI TIẾN
GIỐNG CÂY TRỒNG CHỐNG CHỊU
ĐIỀU KIỆN BẤT LỢI CỦA MÔI TRƯỜNG
Diện tích đất trồng trọt trên thế giới chiếm 10% trong tổng số 13 tỉ ha. Trong đó, 11,5
triệu ha đất đang được canh tác được xem như không thuận lợi cho nông nghiệp (FAO 2002).
Hầu hết đất trồng trọt được xếp vào nhóm dưới mức tối hảo cho cây trồng. Bên cạnh những
thiệt hại do sâu bệnh gây ra, người ta ước đoán có 70% tiềm năng về năng suất bị mất đi do
đ
iều kiện bất lợi của môi trường, ngay cả trong những quốc gia có nền nông nghiệp phát triển
(FAO 2002)
Những thiệt hại do sâu bệnh gây ra được gọi với thuật ngữ "thiệt hại có tính chất sinh
học" (biotic stresses). Những thiệt hại do điều kiện bất lợi của môi trường, thí dụ như khô hạn,
ngập úng, mặn, phèn, nóng, lạnh, v.v , được gọi với thuật ngữ "thiệt hại có tính ch
ất không
phải sinh học (abiotic stresses)
Sự khan hiếm về nước tưới phục vụ cho nông nghiệp đã được báo động trong nhiều
hội nghị khoa học của thế giới gần đây. Do sự thay đổi khí quyển với hiệu ứng nhà kính, nhiệt
độ của khí quyển ấm dần lên, băng tan ở hai cực sẽ tạo sự ngập lụt ở các vùng đất thấp (như
đồng bằng sông C
ửu Long). Như vậy, lũ lụt và sự xâm nhập mặn sẽ trở thành vấn đề lớn trong
nhiều năm sau. Với tầm quan trọng như vậy, người ta đã hoạch định một thứ tự ưu tiên trong
đầu tư nghiên cứu tính chống chịu khô hạn và chống chịu mặn trên toàn thế giới, trong lĩnh
vực cải tiến giống cây trồng, sau đó là tính chống chịu lạnh, chố
ng chịu ngập úng, chống chịu
đất có vấn đề (acid, thiếu lân, độ độc sắt, độ độc nhôm, thiếu kẽm, Mg, Mn và một số chất vi
lượng khác như Cu,…)
1-1. KHÔ HẠN
Khô hạn sẽ là yếu tố quan trọng bậc nhất ảnh hưởng đến an toàn lương thực của thế
giới, và điều này đã từng xảy ra trong qúa khứ. Tài nguyên nước phục vụ cho nông nghiệp
không phải vô tậ
n, bên cạnh đó là áp lực dân số kèm theo sự phát triển đô thị, sự kiện ấy sẽ
làm gia tăng nhu cầu nước phục vụ dân sinh và cho phát triển công nghiệp. Do đó, sự khan
hiếm nước phục vụ nông nghiệp là vấn đề đang được dự báo rất cấp thiết trên qui mô toàn
cầu. Hiện nay, nước phục vụ nông nghiệp chiếm 70% nguồn nước phục vụ dân sinh của toàn
thế giới.
Muốn sản xuất được 1 kg thóc, người ta phải cần 5000 lít nước. Nhiều quốc gia như
Ai Cập, Nhật Bản, Úc đã cố gắng cải tiến nhằm nâng cao hiệu qủa sử dụng nước, giảm xuống
1,3 m
3
/ kg thóc. Ở Trung Quốc, các nhà chọn giống đang thử nghiệm mô hình cây lúa canh
tác trên đất thoáng khí, với thuật ngữ "aerobic rice", không phải như cây lúa ngập nước truyền
thống. Bộ rễ lúa sẽ phát triển như cây trồng cạn, với chế độ tưới cải tiến, nhằm tiết kiệm nước
tối đa.
Hạn hán được xem như một trong những hậu qủa nghiêm trọng do sự suy giảm của
nguồ
n nước. Do vậy, người ta đã qui định ngày 22 tháng 3 hàng năm là Ngày NướcThế Giới.
Hiện nay, mức đảm bảo nước trung bình cho một người trong một năm đã giảm từ 12.800 m
3
/ người vào năm 1990 xuống còn 10.900 m
3
/ người vào năm 2000 và có khả năng chỉ còn
khoảng 8.500 m
3
/ người vào năm 2020. Theo Hội Nước QuốcTế (IWRA), tiêu chuẩn công
nhận quốc gia có mức bảo đảm nước cho một người < 4000 m
3
/ năm, được xem như thiếu
nước, và < 2000 m
3
/ năm, thuộc loại hiếm nước. Kết qủa đánh giá của chương trình KC12 ở
Việt Nam cho thấy: tổng lượng nước cần dùng cả năm của nước ta chiếm 8,8% tổng lượng
dòng chảy, năm 1999, tăng lên 12,5% trong năm 2000, và được dự báo sẽ tăng 16,5% vào
năm 2010. Tổng lượng nước phục vụ tưới trong nông nghiệp của Việt Nam: 41 km
3
năm
1985, tăng lên 46,9 km
3
năm 1999, và 60 km
3
năm 2000. Lượng nước cần dùng cho mùa khô
sẽ tăng lên 90 km
3
vào năm 2010, chiếm 54% tổng lượng nước có thể cung cấp. Xét trên qui
mô toàn cầu, nhiệt độ trái đất nóng lên sẽ có khả năng làm mất 1/3 nguồn nước đang sử dụng
của thế giới trong 20 năm tới, như dự báo của Liên Hợp Quốc. Khủng hoảng thiếu nước trên
thế giới hiện nay được nhận định không chỉ do nước qúa ít so với nhu cầu mà còn do quản lý
nguồn nước qúa kém. Hàng năm có 2,2 tri
ệu người chết do các căn bệnh liên quan đến nguồn
nước ô nhiễm và điều kiện vệ sinh kém, với 12.000 km
3
nước sạch hiện bị ô nhiễm nghiêm
trọng. Do đó, từ năm 2000 trở đi, các dự án quốc tế về nông nghiệp thuộc hệ thống CGIAR đã
nhấn mạnh đến giống cây trồng chống chịu khô hạn, nước sạch cho nông thôn, đô thị, xem
những nội dung này là một ưu tiên đặc biệt.
Các trung tâm nghiên cứu trên thế giới được FAO phân công phụ trách những cây
trồng liên quan đến chống chị
u khô hạn là:
• IITA phụ trách nghiên cứu đậu cowpea ở Sahel, đậu tương và ngô ở Dry Savana
• ICRISAT phụ trách nghiên cứu cao lương, kê, đậu chickpea, đậu phụng và đậu pigeon
pea ở Ấn Độ và Sahel
• CIAT phụ trách nghiên cứu các loại đậu ở Mexico, Trung Mỹ và Đông bắc Brazil
• IRRI phụ trách nghiên cứu lúa ở Bangladesh, Đông Ấn Độ, Thái Lan và Indonesia
• CIP phụ trách nghiên cứu khoai tây ở Trung Quốc. Ấn Độ, Nam Phi, Kazakhstan,
Afghanistan
• CIMMYT phụ trách nghiên cứu lúa mì
ở Trung Á, Tây Á, Bắc Phi, cây ngô ở vùng
cận Sahara
1-2. ĐẤT MẶN
Đất trồng trọt bị ảnh hưởng mặn ước khoảng 380 triệu ha, chiếm 1/3 đất trồng trên
toàn thế giới. Nó thường đi kèm theo hiện tượng đất kiềm và ngập nước (Gale 2002). Trong
đó, 60 triệu ha là đất mặn do thủy cấp đưa mặn lên đất mặt, người ta thường dùng thuật ngữ
"inland salinity". Hiện tượng này do thiếu nước tướ
i, làm đất trở nên mặn hóa ở Châu Á,
Châu Phi và Nam Mỹ.
Các trung tâm nghiên cứu trên thế giới được FAO phân công phụ trách những cây
trồng liên quan đến chống chịu mặn là:
• IRRI phụ trách nghiên cứu lúa vùng ven biển ở Bangladesh, Orissa, Việt Nam,
Philippines, vùng mặn trong đất liển ở châu thổ sông Hằng (Ấn Độ) và vùng Đông bắc
Thái Lan
• ICARDA phụ trách nghiên cứu lúa ở Trung Á
1-3. ĐẤT ACID & ĐẤT BẠC MÀU
Đất acid chiếm 40% diện tích đất trồng trọt trên toàn thế
giới, với pH < 5, trong đó
yếu tố hạn chế chủ yếu cho cây trồng là hàm lượng cao của nhôm và manganese. Vấn đề này
đặc biệt quan trọng tại Nam Mỹ (380 triệu ha), bao gồm khu vực châu thổ sông Amazone.
Yếu tố hạn chế do hàm lượng sắt cao, gây độc cho cây được ghi nhận ở Tây Phi. Đất phèn ở
Việt Nam và Thái Lan thuộc nhóm khác, rất đặc biệt, bởi vì độc chất thuộc hợp chất sulfate
sắt, nhôm, cộng thêm hi
ện tượng thiếu lân, pH thấp, và rất giàu hữu cơ.
Các trung tâm nghiên cứu trên thế giới được FAO phân công phụ trách những cây
trồng liên quan đến chống chịu đất acid và bạc màu là:
• IITA phụ trách nghiên cứu đậu cowpea, đậu tương ở vùng rừng ẩm ướt
• CIAT phụ trách nghiên cứu các loại đậu ở Châu Phi, Châu Phi La Tinh
• IRRI phụ trách nghiên cứu lúa ở Bangladesh, Indonesia, Philippines
• CIMMYT phụ trách nghiên cứu ngô ở Châu Mỹ La Tinh, Đông Nam Á và Châu Phi,
phụ trách nghiên cứu lúa mì ở CWANA
1-4. NHIỆT ĐỘ LẠNH & NHIỆT ĐỘ NÓNG
Nhiệt độ qúa nóng hoặc qúa lạnh sẽ làm hạn chế tiềm năng phát triển của cây trồng.
Hiện nay, 70% vùng đất trồng khoai tây của thế giới có khả năng bị rủi ro do nhiệt độ lạnh.
Cây lúa trồng ở Hàn Quốc, Nepal thường b
ị thiệt hại do lạnh
Các trung tâm nghiên cứu trên thế giới được FAO phân công phụ trách những cây
trồng liên quan đến chống chịu nhiệt độ bất thuận là:
• CIP phụ trách nghiên cứu khoai tây chịu lạnh ở Andes, chịu nóng ở Nam Á
• ICARDA phụ trách nghiên cứu lúa mạch, đậu chickpea, cây gai chịu lạnh
• IITA phụ trách nghiên cứu đậu cowpea chịu nóng ở Sahel
1-5. BẢN ĐỒ GEN & SỰ PHÁT TRIỂN MARKER PHỤC VỤ PHÂN TÍCH DI
TRUYỀN
Bả
n đồ gen là yêu cầu trước hết cho phân tích di truyền tính trạng chống chịu các thiệt
hại không phải sinh học, đồng thời nó cũng là tiêu chuẩn trong chọn giống cây trồng hiện đại.
Nhóm Tư Vấn về Nghiên Cứu Nông Nghiệp Quốc Tế (CGIAR) của FAO đã chỉ đạo các
Viện, Trung Tâm trực thuộc, hoàn thành các bản đồ ở mức độ phân tử đối với những loại cây
trồng chính. Trong đó, có những công trình mang tính ch
ất hợp tác quốc tế rất rộng như: bản
đồ gen cây lúa, lúa mì, khoai tây có thể được sử dụng phổ biến. Những bản đồ căn bản đối với
cây trồng có mức độ phổ biến thấp cũng được xem xét, và được sự phân công của CGIAR,
tuy rằng chúng có tính chất quốc tế hóa rất thấp. Chỉ còn một vài loài chưa được xây dựng
bản đồ. Bản đồ di truyền (genetic map) còn
được hiểu như bản đồ liên kết (linkage map) giữa
marker và gen mục tiêu. Bên cạnh đó, người ta đã thực hiện những hợp phần quan trọng để
xây dựng bản đồ vật lý (physical map) của những gen này. Kỹ thuật xây dựng bản đồ đối với
tính trạng số lượng (QTL) thường có rất ít thông tin về sự kiểm soát của gen, bởi vì nó dựa
trên những giả định có tính chất toán học. Như
ng nó vô cùng quan trọng, vì hầu như các tính
trạng chống chịu với "stress" đều yêu cầu "QTL mapping". Người ta cần phải quét từ đầu đến
cuối bộ genome với những marker bao phủ toàn bộ các nhiễm sắc thể, với mật độ trung bình
10cM giữa 2 marker. Thông qua đó, người ta xác định những khu vực giả định có chứa các
gen điều khiển tính trạng số lượng mà ta đang nghiên cứu. Người ta phải dựa trên cơ s
ở biến
động của tính trạng kết hợp với sự thay đổi của marker tương ứng. Mật độ marker càng dày
đặc, càng tốt cho sự giả định, với mức độ chính xác cao, trên một quần thể con lai nào đó
đang được sử dụng để phân tích di truyền. Những vị trí được xác định như vậy vô cùng cần
thiết cho chương trình chọn giống nhờ marker (MAS = marker-aided selection) đối với tính
trạng chống chị
u, và rất cần thiết cho kỹ thuật cloning trên cơ sở bản đồ di truyền (map-based
cloning) của những gen thuộc về QTL
Những marker được ứng dụng trong chọn giống cây trồng phải liên kết chặt với gen
mục tiêu, trên cơ sở bản đồ di truyền phân tử. Hiện nay, marker có hiệu qủa đáng tin cậy là
"microsatellite" viết tắt SSR. Người ta đang chuẩn bị đưa vào sử dụng rộng rãi marker SNP
trong vài nă
m tới (chữ SNP được viết tắt từ thuật ngữ "single nucleotide polymorphisms" =
các đa hình nucleotide đơn). Đối với cây lúa, thuận lợi lớn nhất trong ứng dụng marker là bản
đồ genome của nó đã cơ bản được giải mã, marker không còn là vấn đề. Theo công trình của
Goff và 30 tác giả khác trong năm 2002, chuỗi ký tự của SSR và SNP hiện được thiết kế ước
khoảng 40.000 marker, kể cả những phân tử mất đoạn, hay xen đoạ
n. Đây là những chuỗi mã
đồng nhất ở mức độ 1%, mật độ 24 / mỗi gen (Gale 2002)
1-6. CƠ CHẾ SINH LÝ HỌC VÀ DI TRUYỀN HỌC ĐỐI VỚI HIỆN TƯỢNG CHỐNG
CHỊU STRESS
Cơ chế sinh lý giải thích hiện tượng đáp ứng của cây trồng đối với stress, và nhằm
mục đích cải tiến cấu trúc, hoạt động sinh lý, sinh hóa của cây, giúp cây thoát khỏi, hoặc né
tránh, hoặc chống chịu sự thiệt hại do stress gây ra. Có hai phương pháp liên quan đến cải tiến
giống cây trồng chống chịu stress:
(1) Phương pháp dựa trên kinh nghiệm (empirical approach) được bắt đầu từ việc khai
thác biến dị di truyề
n, kết hợp với nguồn vật liệu cung cấp gen chống chịu tốt nhất của
giống cây trồng, hoặc của loài hoang dại. Nguồn vật liệu lý tưởng nhất đối với tính
trạng chống chịu được phân lập và xem xét gen điều khiển tính chống chịu thông qua
phân tích QTL đối với quần thể dòng con lai đang phân ly, trên hai kiểu hình chống
chịu cao và chống chịu thấp. Mặc dù cơ chế sinh lý v
ẫn được xem là cơ chế chính
được ưu tiên nghiên cứu, nhưng sự di truyền tính trạng chống chịu này đến giống cây
trồng mới là một tiến trình vô cùng cần thiết, với yêu cầu chọn lọc khắt khe và tích lũy
những alen có lợi
(2) Phương pháp lai tạo giống có kiểu hình lý tưởng (ideotype breeding approach), trong
đó đặc điểm về hình thái học và sinh lý học đều phải có khả năng tham gia vào mục
tiêu cải tiế
n giống trong điều kiện bị stress. Gen mục tiêu từ giống cây trồng và từ loài
hoang dại đều được quan tâm khai thác, để chuyển nó vào giống cây trồng mới.
Khi thực hiện hai phương pháp này, người ta cò phải sử dụng những kỹ thuật lai, kỹ
thuật chồng gen kháng nhờ marker phân tử, nhằm xác định những alen có lợi.
Trường hợp stress là khô hạn, mặn và lạnh, những hiện tượng này có chức năng về
sinh lý thực vật liên quan với nhau, trên cơ sở điều tiết áp suất thẩm thấu của tế bào. Nhiều
chiến lược nghiên cứu nhằm cải tiến tính chống chịu này mang tính chất đa ứng dụng. Chúng
bao gồm hiện tượng điều tiết áp suất thẩm thấu ở rễ, lá, nhằm duy trì nước, loại bỏ các yếu tố
rào cản có tính chất kỵ nước (hydrophobic barriers) trong rễ và lá, cả
i tiến sự thông thương
mạch dẫn, nhằm thúc đẩy sự di chuyển nước trong cây. Những cơ chế tránh né (avoidance),
thoát (escape), và chống chịu (tolerance) có nét rất giống nhau đối với khô hạn, mặn và lạnh.
Thí dụ như cải tiến tính trạng rút ngắn thời gian từ gieo đến trỗ, tính trạng rễ phát triển mọc
sâu hơn trong đất, tính trạng nhạy cảm trong phản ứng co nguyên sinh của tế bào khi gặp
stress.
Di truyền tính ch
ống chịu đối với stress không phải sinh học thường được kiểm soát
bởi đa gen và rất phức tạp, các gen kiểm soát tính chống chịu có thể trùng lắp nhau đối với
những stress khác nhau. Trong genome của lúa mì và lúa mạch, người ta nhận thấy các ảnh
hưởng di truyền kiểm soát sự đáp ứng của cây đối với khô hạn, mặn và lạnh nằm trên cùng
bản đồ di truyền nhiễm sắc thể tương đươ
ng. Có ít nhất 10 QTL được tìm thấy đối với từng
tính trạng chống chịu này và chúng nằm chồng lên nhau tại một số vùng của nhiễm sắc thể.
Trường hợp sử dụng "phương pháp dựa trên kinh nghiệm" đối với tính trạng chống
chịu độ độc nhôm, người ta ghi nhận kỹ thuật thanh lọc nhôm thường chỉ cải tiến sự phát triển
của rễ và chồi trong môi trường dinh dưỡng Yoshida có ch
ứa Al, ở điều kiện pH thấp, và đó
là một hiện tượng di truyền rất phức tạp. Những gen kiểm soát tính trạng chống chịu này
thường tập trung tại một locus có giá trị đóng góp vào tần suất biến dị di truyền cao nhất.
Những kết qủa như vậy xác định hướng ưu tiên của MAS (chọn giống nhờ marker phân tử),
với sự cô lập gen có tính chất quyế
t định (key gene) thông qua cả hai biện pháp hỗ trợ, đó là
"kỹ thuật cloning" và "sản xuất các dòng đẳng gen" (Gale 2002). Sự cô lập gen (gene
isolation) và kiến thức về chuỗi mã của gen có thể được xem là những bước phát triển có tính
chất quyết định làm rõ thêm cơ chế di truyền tính chống chịu này.
Không phải tất cả các tính trạng chống chịu stress do đa gen điều khiển. Một vài tính
trạng chống chịu với stress được thể
hiện do sự điều khiển của gen chủ lực. Thí dụ như tính
trạng chống chịu ngập của cây lúa ở vùng Đông Nam Á, nơi có diện tích canh tác bị ảnh
hưởng của lũ lụt là 25 triệu ha, do lũ đến bất ngờ làm cây lúa bị ngập hoàn toàn (7 đến 10
ngày), gen điều khiển Sub1 định vị tại một locus giúp cho cây lúa chống chịu được ngập và
phục hồi bình thường
Khả năng của các loài hoang dại có quan hệ gần với cây trồng được đánh giá rất cao,
trong chiến lược du nhập gen mục tiêu từ loài hoang dại vào loài cây trồng, nhằm gia tăng
tính chống chịu một cách có hiệu qủa. Gen chống chịu mặn được ghi nhận từ một loài hoang
dạ
i Porteresia coarctata của Ấn Độ, Sri Lanka có thể chuyển vào lúa trồng. Gen chống chịu
mặn của Thinopyrum bessabaricum giúp nó phát triển trong điều kiện mặn 250 mM NaCl, có
thể được sử dụng trong chương trình cải tiến cây lúa mì. Đối với tính trạng chống chịu độ độ
nhôm, loài cỏ lông tây, Brachiaria decumbens, thuộc vùng nhiệt đới, được xem là nguồn vật
liệu trong chương trình cải tiến giống lúa mì ôn đới, giống ngô ôn đới (Gale 2002). Chiến
lược cải tiến giống như vậy có tên là "crop replacement".
1-7. TIẾN ĐỘ CẢI TIẾN GIỐNG CHỐNG CHỊU (chậm nhưng khả thi)
Hiện nay, tiến độ cải tiến giống chống chịu đối với stress rất chậm bởi chúng ta chưa
có sự hợp tác nghiên cứu một cách hiệu qủa giữa nhà sinh lý thực vật, sinh hóa và nhà di
truyền. Một vài tiến bộ được ghi nhận trong cải tiến giống ch
ống chịu (tolerance) hoặc tránh
né (avoidance) khô hạn, mặn, độ độc nhôm. Những hiểu biết về cơ chế chống chịu cho từng
đối tượng còn qúa hạn chế.
Những giống cây trồng được các cơ quan thuộc hệ thống CGIAR quan tâm đầu tư
nghiên cứu và phát triển:
• Giống ngô nhiệt đới chống chịu đất acid: Corpoica H-108, H-111 phát triển tại
Colombia, giống Pool 25 tại Brazil, giống ZM421, 521 và 621 vừa được công nhận
cho phát triể
n tại Nam Phi, nó còn chống chịu hiện tượng đất nghèo N và khô hạn giữa
vụ trồng. Các giống này do CYMMIT lai tạo và hợp tác với các địa phương nói trên
• Giống lúa chống chịu mặn PSBRc 84, 86 và 88 phát triển tại Bangladesh, trong đó
PSBRc 88 có phẩm chất gạo tốt. Giống lúa này do IRRI lai tạo và hợp tác với các
quốc gia trong mạng lưới
• Giống chuối chống chịu hạn FHIA 01 do INIBAP lai tạo và chọn lọc, hiện phát triển
tại Honduras, Tanzania và 50 qu
ốc gia khác
• Giống khoai tây chống chịu nóng Unica phát triển tại Peru do CIP lai tạo và chọn lọc
Tiến độ cải tiến giống cây trồng phục vụ mục tiêu chống chịu này hiện gặp trở ngại do
tính trạng năng suất cao và tính trạng chống chịu có khả năng tương hợp thấp. Năng suất cao
trong điều kiện bị stress cũng không tương hợp với năng suất cao trong đ
iều kiện bình
thường. Điều này cho thấy cần có một chương trình cải tiến giống độc lập nhằm tạo ra những
giống có yêu cầu đặc biệt, đối với từng loại stress riêng biệt. Chúng ta vẫn chưa hiểu rõ: liệu
có sự đối kháng giữa năng suất và tính chống chịu hay không? Gen điều khiển năng suất cao
trong điều kiện bị stress và trong điều ki
ện bình thường cùng một nhóm như nhau. Nhưng sự
tương tác giữa kiểu gen và môi trường (GxE) vẫn còn là điều chưa được hiểu một cách đầy
đủ. Với sự phát triển của công nghệ sinh học, đặc biệt là kỹ thuật di truyền, người ta đang ưu
tiên nghiên cứu giông chống chịu khô hạn và chống chịu mặn, với qui mô hợp tác quốc tế rất
tích cực.
1-8. KỸTHUẬT THANH LỌ
C CÓ TÍNH KHẢ THI VỚI QUI MÔ LỚN
Việc đánh giá kiểu hình (phenotyping) các dòng con lai đối với các stress đòi hỏi
chúng ta không ngừng hoàn thiện các kỹ thuật thanh lọc rẻ tiền, chính xác, dễ ứng dụng khi
thực hiện với số lượng lớn của con lai.
Thanh lọc ngoài đồng ruộng thường gặp những vấn đề phát sinh do các yếu tố môi
trường mà chúng ta chưa kiểm soát được, chúng có thể ảnh hưởng làm sai lệch kết qủa thanh
l
ọc. Muốn khắc phục hạn chế này, người ta cố gắng cải tiến phương pháp bố trí thí nghiệm
đối với từng vấn đề stress khác nhau
Thanh lọc trong phòng thí nghiệm hoặc trong nhà lưới với các yếu tố tham gia thống
nhất, có kiểm soát, thường bị hạn chế do qui mô bé, và rất tốn kém. Hơn nữa cơ chế chống
chịu in vitro và cơ chế chống chịu ngoài đồng thường không thống nhất, thí dụ như tính chống
chịu mặn, tính chống chịu khô hạn. Trường hợp thanh lọc với độ độc do sắt trong đất phèn,
chúng ta rất khó ki
ểm soát sự chuyển đổi từ Fe
++
sang Fe
+++
trong môi trường dinh dưỡng.
Trường hợp thanh lọc tính trạng chống chịu ngập hoàn toàn, chúng ta phải kiểm soát độ đục
của nước sao cho gần giống như điều kiện ngoài đồng. Trường hợp thí nghiệm tính trạng
chống chịu sự thiếu lân, phương pháp bố trí thí nghiệm phải giải quyết được hai vấn đề: (1) cơ
chế phát triển trong điều kiện đất có hàm lượng lân ở ng
ưỡng thấp, có thể những giống nghiên
cứu phát triển tốt trong điều kiện này, nhưng không chống chịu sự thiếu lân, (2) cơ chế phát
triển trong điều kiện thiếu lân thực sự.
Ứng dụng công nghệ sinh học, người ta đề xuất phương pháp đánh giá kiểu gen
(genotyping), với sự trợ giúp của marker phân tử để thanh lọc con lai có gen chống chịu với
stress mục tiêu. Marker SSR hiện được khuy
ến cáo vì hiệu qủa cao, đáng tin cậy, số lượng
marker lớn. Vấn đề trở ngại lớn nhất của tính chống chịu với stress là đa gen điều khiển với
những giả định QTL. Vì vậy, công việc "fine mapping" phải được thực liện liên tục nhằm xác
định marker đáng tin cậy nhất cho chiến lược MAS (marker-assisted selection) trên cơ sở
phân tích với quần thể hồi giao cải tiến của v
ật liệu bố mẹ đã được chọn lọc cẩn thận.
1-9. GENOME HỌC - NGÀNH HỌC DI TRUYỀN MỚI
Từ năm 1998, người ta bắt đầu làm quen với thuật ngữ "Genomics" (genome học)
thông qua chương trình nghiên cứu về genome của người. Trong thực vật, genome của cây
Arabidopsis thaliana đã được giải mã cơ bản vào năm 2000. Genome cây lúa đã được công
bố giải mã trong năm 2001 và hoàn thiện trong năm 2002 của nhóm nghiên cứu Bắc Kinh
(Trung Quốc) và Tsukuba (Nhật Bản) cùng với những thông báo đáng chú ý của Syngenta và
Monsanto. Khả năng genome của cây ngô sẽ là mục tiêu tiếp theo được giải mã, ít nhất là tại
các vùng trên nhiễm thể tập hợp cao các gen (gene-rich regions) của bộ genome. Công nghệ
bao trùm toàn bộ hoạt động của ngành genome học là: (1) đọc chuỗi mã DNA tự động, với
khả năng đọc của máy là 2 triệu cặp base một ngày, với số kênh mao dẫn từ 16, đến hơn 98
kênh, và nó đ
ang được tiếp tục cải tiến với tốc độ phát triển cực nhanh (2) microarray và chip
sinh học DNA, trong đó 10.000 gen có thể được "scan" trong cùng một lần xem xét, các máy
đánh giá kiểu gen tự động có khả năng xét nghiệm 10.000 điểm chẩn đoán DNA trong một
ngày. Thực vậy, khả năng kiểm tra toàn bộ genome đối với những marker di truyền, hoặc sự
thể hiện gen trên từng chip đơn lẽ là hiện thực trong một tươ
ng lai rất gần. Kỹ thuật chuyển
nạp gen sẽ đơn giản và dễ dàng hơn nhờ các tiến bộ mới trong công nghệ sinh học, qua đó,
việc cải biên di truyền trở nên hiệu qủa hơn đối với mục tiêu cải tiến giống cây trồng, ở góc
độ công nghệ có liên quan đến "genomics".
1-10. HIỆN TƯỢNG SYNTENY & GENOMICS CÓ TÍNH CHẤT SO SÁNH
Trong cuối thập kỷ 1990, một sự kiện khoa học quan trọng rất
đáng ghi nhớ đó là
khám phá thành phần của gen, vị trí thứ tự của gen được ghi nhận có quan hệ rất chặt giữa các
loài thực vật khác nhau. Đó là hiện tượng "synteny". Thuật ngữ "synteny" có nguồn gốc từ
chữ Hi Lạp, trong đó "syn" có nghĩa là quan hệ với nhau, "taenia" có nghĩa là dãi băng
(ribbon)
Thuật ngữ này được dùng trong di truyền để ám chỉ sự hiện diện của hai hoặc nhiều
hơn hai loci trên cùng một nhi
ễm sắc thể. Người ta còn sử dụng thuật ngữ lập bản đồ so sánh
(comparative mapping) và xác định gen trên cơ sở "gen phát triển đồng dạng" (homeology-
based gene isolation) để minh họa hiện tượng synteny có trong tự nhiên (McCouch 2001).
Khái niệm "synteny" được mở rộng trên khái niệm đồng dạng của nhiễm sắc thể tương đồng.
Nghiên cứu trên họ Solanacea, Bonierbale và ctv. (1998) đã chứng minh rằng cDNA markers
trên 12 nhiễm sắc thể của cà chua và khoai tây có tính chất đồng tuyến (collinear), chúng chỉ
khác nhau ở 5 đảo đoạn không ở vị trí trung tâm, trong khi đó, cây ớt có một sự sắp xếp tương
đồng nhưng to lớn hơn hai genome này. Trong họ Graminae, người ta nhận thấy chúng có
mức độ phát triển có thể được đánh giá cao nhất về hiện tượng synteny, bởi vì sự thểø hiện rất
rõ ràng của các loài trong họ. Hầu hết các gen trong họ có chức năng được biết hay chưa được
biết đều có những mật mã protein tương ứng với các gen của chuỗi mã cây lúa. Bản đồ
genome của những loài thuộc họ
Graminae bao gồm những cây mễ cốc có thể được nối với
nhau thành trục đường thẳng các gen mục tiêu định vị trên genome (với độ lớn khác nhau,
theo vòng tròn đồng tâm) (hình I-1). Nếu một gen của một loài được biết về chức năng, người
ta có thể dự đoán trên tất cả những loài còn lại. Theo hình I-1, cây lúa có genome nhỏ nhất,
thể hiện vòng tròn ở trung tâm.
Hình I-1: Định vị các gen có quan hệ giữa các loài khác nhau bao gồm lúa (rice), kê đuôi chồn
(foxtail millet), cao lương (sorghum), kê hạt ngọc (pearl millet), ngô (maize), nhóm lúa mì
(Triticeae) theo nghiên cứu của Gale và Devos (2002). Gen waxy :amylose thấp, làm tinh bột
dẽo, dính, photoperiod sensitivity: cảm quang, liguleless : không có tai lá, shattering: dễ rụng
hạt, d4-dwarfing: gen lùn d4, Ga-ins dwarfing: gen lùn không mẫn cảm với gibberellin.
Hình I-2.: Thành phần gen và vị trí thứ tự gen được bảo tồn giữa hai cây lúa và cây
lúa mạch. Một gen được nhân thành đôi trong một của hai genome. Gen của lúa
mạch với kích thước genome lớn hơn lúa nước, định vị rãi rác với những đoạn phân
tử lập lại khá lớn (Dubcovsky và ctv. 2001)
(CT)8
(TC)2
(GT)1
(GGC
10kb
(TG)8
Lúa
m
ạch
Gen 1 2 3 4a 4b
Lúa
(GA)20
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét