Đặc biệt, nhu cầu về các giống lúa có chất lượng cao ngày càng gia tăng trong những thập kỷ gần đây, do yêu cầu của thị trường và nhu cầu của người tiêu dùng

ĐẶT VẤN ĐỂ

Đặc biệt, nhu cầu về các giống lúa có chất lượng cao ngày càng gia tăng trong những thập kỷ gần đây, do yêu cầu của thị trường và nhu cầu của người tiêu dùng. Gạo có chất lượng cao được xác định bởi rất nhiều yếu tố như hình dạng hạt, giá trị dinh dưỡng, hương thơm, chất lượng sau khi chế biến…Trong đó, hương thơm được xem là một trong những đặc tính quan trọng. Trong khi giá gạo của các giống lúa truyền thống suy giảm, các loại lúa gạo đặc sản, nhất là những loại gạo thơm vẫn giữ được giá cao và ổn định.

Khi bắt đầu thực hiện cuộc cách mạng xanh, hầu hết các chương trình chọn giống lúa đều tập trung phát triển các giống lúa có tính trạng chống chịu sâu bệnh và cho năng suất cao. Phần lớn các giống có mùi thơm thường có năng suất thấp nên người dân đã ngừng trồng các giống lúa thơm đặc sản của địa phương và thay thế chúng bằng các giống ngắn ngày, kháng sâu bệnh, năng suất cao và không thơm [8]. Điều này dẫn đến sự tổn hại về mặt đa dạng di truyền của các giống lúa thơm, có nhiều giống lúa thơm địa phương đã bị cạnh tranh và thất lạc. (Berner DK& Hoff BJ, 1986 ) [7], (Ghareyazie B, 1997 )[15], (Singh RK et al, 200 ) [25], (BhattacharjeeP et al, 2002 ) [8], (Garg AK et al, 2006 ) [14].

Hiện nay, các chương trình phát triển và bảo tồn giống lúa chất lượng đang là vấn đề được rất nhiều nước trên thế giới quan tâm. Tuy nhiên, việc chọn tạo các giống lúa chất lượng bằng các phương pháp truyền thống là rất khó khăn, bởi sự di truyền đa gen và tương tác của môi trường là những yếu tố gây khó khăn trong việc cải tiến các tính trạng chất lượng. Chọn tạo giống lúa chất lượng đòi hỏi vật liệu ban đầu (dòng bố mẹ) có sự đa dạng di truyền rất rộng. Những hiểu biết về mặt đa dạng di truyền nguồn gen là một điều kiện tiên quyết để kế tục và sử dụng một cách có hiệu quả trong các phương pháp chọn tạo giống lúa chất lượng.

Chính vì vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện chuyên đề “Nghiên cứu đa dạng di truyền tập đoàn giống lúa chất lượng của Việt Nam bằng chỉ thị SSR”. Kết quả thu được sẽ là cơ sở để tham khảo và tiến hành các nghiên cứu tiếp theo nhằm phục vụ cho công tác thu thập, phân loại, bảo tồn, khai thác và sử dụng giống lúa chất lượng một cách có hiệu quả.

I. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG DI TRUYỀN CÁC GIỐNG LÚA CHẤT LƯỢNG

1.1. Các giống lúa chất lượng

Các giống lúa thơm thường được trồng phổ biến ở châu Á, riêng giống lúa Basmati được gieo trồng khoảng 2 triệu ha chủ yếu ở các nước Ấn Độ, Pakistan và Nepan. Gạo thơm có hạt nhỏ, thon và dài từ 6,8 đến 7,0 mm, tỉ lệ chiều dài và chiều rộng từ 3,5 đến 3,7 và có hàm lượng amyloza trung bình 20 - 22%

Ở Ấn Độ có hàng trăm giống lúa thơm địa phương, tuy nhiên chỉ có giống lúa thơm Basmati được ưa chuộng nhất. Gạo thơm Basmati có hai đặc tính quan trọng hơn hết là mùi thơm và cơm nở dài, hàm lượng amyloza từ 22 - 25%, sau khi gạo được nấu chín vẫn giữ được đặc tính này. Ở Thái Lan có hai giống lúa thơm nổi tiếng là Khao Dak Mali và Jasmine 85. Gạo thơm Khaw Dawk Mali có ít hơn 20% amyloza nên hạt cơm sau khi nấu hạt còn hơi dính vào nhau (Khush, 2001)

Các giống lúa thơm ở Myanmar được gieo trồng nhiều ở các tỉnh miền Trung và chủ yếu được tiêu thụ ở trong nước. Một số giống lúa chất lượng đang được gieo trồng phổ biến ở đây như Namathalay, Basmati, Paw San Bay Gyar (Chaudhary RC and Tran DV, (2001) [9].

Ở Philippin có giống Milsagrosa và ở Trung Quốc có các giống Bắc thơm, Quế hương chiêm, Qua dạ hương và Chi ưu hương là các giống lúa chất lượng nổi tiếng trên thế giới.

Giống lúa Koshihikari là giống lúa cổ truyền của Nhật, thuộc loài phụ Japonica, có chất lượng cao, hương vị rất được ưa thích trong những bữa ăn chính của người Nhật. Giống lúa Koshihikari được xem như là lúa Basmati của Nhật với diện tích gieo trồng chiếm khoảng 30% tổng diện tích trồng lúa ở nước này.

Ở miền Nam Việt Nam, giống lúa nổi tiếng là Nàng thơm chợ Đào (còn gọi là lúa hạt lựu vì có đốm bạc bụng). Nàng thơm chợ Đào có thân cao, gié nhỏ, năng suất trung bình là 2 - 3 tấn/ha. Ngoài ra, còn có các giống lúa thơm nổi tiếng khác như lúa Móng chim, Nàng hương, Nanh chồn (Bà Rịa); Tàu hương, Thơm sớm, Thơm lùn, Thơm Bình Chánh, Nàng Thơm Nhà Bè, lúa Huyết rồng (Long An)… Ở miền Trung và Tây Nguyên, có các giống lúa thơm nổi tiếng như lúa Ngự, Cúc thơm, Thái thơm, Nếp than, Nếp trắng, Nếp cái hoa vàng. Ngoài ra, còn có các giống lúa thơm khác như Cúc thơm, Thái thơm, Tám thơm Thanh Hóa…(Nguyễn Hữu Nghĩa và cs, 2000 b).

1.2. Chỉ thị phân tử trong nghiên cứu đa dạng di truyền

Được phát hiện nhờ phương pháp isozyme (Goodman &Stuber, 1983; Price et al, 1986), dựa trên cơ sở gen quy định sinh tổng hợp protein. Isozyme là những dạng enzyme có cùng một phản ứng hoá học như nhau. Về mặt di truyền có thể chia Isozyme thành 2 dạng:

• 
  Isozyme đơn gen: các isozyme chịu sự kiểm soát của một gen
  
• 
  Isozyme đa gen: các isozyme chịu sự kiểm soát của nhiều gen hay nói cách khác là được mã hoá bởi đa gen.
  

Các chỉ thị di truyền được phát hiện thông qua phương pháp đánh dấu các đoạn oligonucleotit và đều có một số đặc điểm chung là không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường, thường liên kết với các tính trạng trội hoặc siêu trội, mang tính ổn định và di truyền qua các thế hệ. Chỉ thị di truyền rất đa dạng và phong phú và được chia thành các nhóm như sau:

• 
  Chỉ thị di truyền dựa trên cơ sở phương pháp lai DNA và RFLP (Restriction Fragment Length Polymorphism) (Burr et al, 1983; Godshalk et al, 1990; Becker et al, 1995). Dựa vào các băng DNA trên gel điện di có thể phát hiện được các thể đồng (dị) hợp tử trội và lặn.
  
• 
  Nhóm chỉ thị di truyền dựa trên cơ sở nguyên lý nhân bản gen bằng kỹ thuật PCR: RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA) (Welh & Mc ClellDNA, 1990; William, 1990…); SSR (Simple Sequence Repeats) (Jeffreys et al, 1985), AFLP (Amplification Fragment Length Polymorphism) (Vos et al, 1995; Becker et al, 1995);…..
  

SSR hay còn gọi là vi vệ tinh, là những đoạn trình tự DNA đơn giản lặp lại nối tiếp và chỉ gồm 1 - 6bp. (Litt and Luty, 1989; Jacob et al, 1991). Tuy nhiên, tuỳ từng loài mà số lượng các nucleotit trong mỗi đơn vị lặp lại có thể thay đổi từ một đến hàng chục và số lượng đơn vị lặp lại có thể biến động từ hai đến hàng chục lần hoặc nhiều hơn. Thông thường có các kiểu lặp lại:

• 
  Lặp lại hoàn toàn: các đơn vị lặp lại sắp xếp nối tiếp nhau.
  
• 
  Lặp lại không hoàn toàn: xen kẽ vào các đơn vị lặp lại là một hoặc một số nucleotit khác.
  
• 
  Lặp lại phức tạp: xen kẽ giữa các đơn vị lặp lại khác nhau.
  

Bản chất đa hình của SSR có thể được sinh ra do sự nhân bội từ DNA tổng số của hệ gen nhờ sử dụng hai đoạn mồi bổ trợ với trình tự gần kề hai đầu của vùng lặp lại. Sự khác nhau về độ dài ở locus SSR được phát hiện bởi sự nhân đoạn DNA nhờ phản ứng PCR. Kích thước của sản phẩm PCR được xác định một cách chính xác bằng điện di trên gel agarose hoặc gel polyacrylamide với sự khác nhau về độ dài có thể rất nhỏ (2bp). Chỉ thị SSR dùng để đánh giá đa dạng di truyền, xác lập quan hệ di truyền của cây trồng, chọn lọc tính kháng bệnh, một số tính trạng có quan hệ chặt chẽ với năng suất ở cây lúa, lập bản đồ, nghiên cứu locus tính trạng số lượng (QTL).

Ưu điểm và hạn chế của chỉ thị SSR

Thuận lợi to lớn của sự phân tích SSR là phương pháp này biểu hiện số lượng lớn sự đa hình. Hơn nữa, khả năng phân biệt các cá thể khi có sự kết hợp các locus được kiểm tra làm cho phương pháp này rất hữu dụng trong các thí nghiệm dòng chảy gen, xác định cây trồng và phân tích mối quan hệ di truyền (Hokanson và cs., 1998).

SSR được sử dụng rộng rãi và hiệu quả trong nghiên cứu cấu trúc di truyền lúa trồng O. sativa, nghiên cứu quá trình tiến hóa, làm rõ độ thuần của vật liệu lai tạo giống..., do đây là chỉ thị đồng trội cho đa hình cao và ổn định. Hiện nay, hơn 15.000 chỉ thị SSR đã được thiết lập (www.gramene.org, 2006), phủ kín trên bản đồ liên kết di truyền của lúa (Giarrocco và ctv, 2007) [19]. Trong những năm gần đây, nhiều công trình sử dụng chỉ thị SSR nghiên cứu đa dạng di truyền và DNA fingerprinting để nhận dạng giống ở lúa đã được công bố (Kalyan và ctv, 2006) [16] ; Jalaluddin và ctv, 2007; Muhammad và ctv, 2009; Navraj và ctv, 2009 [27]

Đã có khoảng 2740 chỉ thị SSR cho toàn bộ Bộ gen lúa và như vậy trung bình cứ 157kp của phân tử DNA có một chỉ thị SSR (Akagi và ctv, 1996 [6]; Chen và ctv, 1997 [10]; Chen và ctv, 2002 [11]; Cho và ctv, 2000 [12]; Coburn và ctv, 2002 [19]; McCouch, 2002 [24]; Paunaud và ctv,(1996) [30] ; Temnykh, 2000 [23]; Temnykh, 2001 [28]).

SSR là marker đồng trội, do đó dị hợp tử có thể dễ dàng được xác định trong quá trình thực nghiệm. Tính đồng trội của SSR sẽ gia tăng sự hiệu quả và độ chính xác của những phép tính toán di truyền quần thể dựa trên những marker này so với những marker khác như AFLP và RAPD. Hơn nữa, việc xác định dị hợp tử ở thế hệ F1 sẽ làm cho những phân tích phả hệ, sự lai giống, dòng chảy gen trở nên dễ dàng hơn (Schlotterer và Pemberton, 1994). SSR là công cụ hữu hiệu để chọn lọc giống, đa dạng hoá về các vật liệu di truyền và dùng trong thiết lập bản đồ di truyền. Chẳng hạn, tác giả Parasnis phát hiện đoạn lặp lại GATA kích thước 5kb chỉ có ở cây đu đủ đực không có ở cây đu đủ cái bằng marker SSR.

Hạn chế của kỹ thuật SSR là quá trình thiết kế primer quá đắt, mỗi loại primer chỉ đặc trưng cho một loài và không thể áp dụng phân tích trên một hệ thống lớn bao gồm nhiều loài có quan hệ di truyền xa nhau.