Trong những năm trở lại đây, tiến bộ về di truyền và sinh học phân tử trên động vật thủy sản đã cung cấp các thông tin hữu ích và đã được ứng dụng trong nuôi trồng thủy sản. Vai trò của thao tác di truyền và sinh học phân tử trong nuôi trồng thủy sản ngày càng được biết đến rộng rãi. Bài viết này điểm lại những nét chính về ứng dụng của di truyền trong chọn giống, lai tạo, nghiên cứu nhiễm sắc thể, điều khiển giới tính, chuyển gen và vai trò của sinh học phân tử trong nuôi trồng thủy sản ở Việt Nam.
VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN DI TRUYỀN VÀ SINH HỌC PHÂN TỬ TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN Trần Thị Thúy Hà*, Lưu Thị Hà Giang1 TÓM TẮT Trong năm trở lại đây, tiến di truyền sinh học phân tử động vật thủy sản cung cấp thơng tin hữu ích ứng dụng nuôi trồng thủy sản Vai trò thao tác di truyền sinh học phân tử nuôi trồng thủy sản ngày biết đến rộng rãi Bài viết điểm lại nét ứng dụng di truyền chọn giống, lai tạo, nghiên cứu nhiễm sắc thể, điều khiển giới tính, chuyển gen vai trị sinh học phân tử nuôi trồng thủy sản Việt Nam Từ khóa: di truyền, ni trồng thủy sản, sinh học phân tử I MỞ ĐẦU Thời gian qua, ứng dụng di truyền sinh học phân tử nuôi trồng thủy sản đạt kết đáng ghi nhận Chẳng hạn việc tạo dịng cá rơ phi có sức sinh trưởng tốt khả chống chịu tốt với nhiệt độ thấp hay việc chế tạo kít chẩn đốn bệnh tơm Để nâng cao chất lượng di truyền cho đối tượng thủy sản, kết hợp phương pháp truyền thống phương pháp đại Phương pháp truyền thống kể đến lai xa, hay điều khiển giới tính Cấy chuyển gen hay thao tác nhiễm sắc thể ứng dụng cơng nghệ sinh học nói chung, sinh học phân tử nói riêng biết đến phương pháp đại Trong đó, thị phân tử dùng công cụ hữu hiệu nghiên cứu định danh lồi, đánh giá đa dạng di truyền, tìm hiểu quan hệ huyết thống, lập đồ gen nghiên cứu bệnh động vật thủy sản phục vụ cho nghề nuôi II ỨNG DỤNG CỦA DI TRUYỀN TRONG NUÔI TRỒNG THỦY CHỌN GIỐNG Trong chương trình chọn giống truyền thống, cá thể gia đình chọn theo tính trạng quan trọng để cải thiện giá trị quần thể (các) hệ Việc chọn tiến hành có đủ biến dị di truyền cho (những) tính trạng quan tâm Các phương pháp chọn lọc khác bao gồm chọn lọc cá thể (individual mass selection), chọn lọc gia đình (between family selection), chọn lọc gia đình (within family selection) chọn lọc kết hợp (combined family selection) Mỗi phương pháp có ưu điểm định tùy thuộc vào chất tính trạng chọn lọc nguyên liệu ban đầu cho chương trình chọn giống (Gjerde,1993; Falconer Mackay, 1996; Bourdon, 1999; Gjedrem, 2005) Chọn giống trở nên phức tạp mục đích tạo quần đàn cho suất cao nhiều mơi trường ni Thực tế, số dịng/lồi thủy sản có kiểu hình thể tốt điều kiện định tính trạng khác tốt điều kiện khác Điều biết đến mối tương tác kiểu gen - môi trường Do việc chọn lọc điều kiện cụ thể cần thiết Ở nước ta, năm gần đây, chương trình chọn giống thủy sản tập trung tập trung cho cá tra (Pangasianodon hypophthalmus), cá rơ phi (Oreochromis niloticus), cá giị (Rachycentron canadum), tơm thẻ chân trắng (Lipopenaeus vannamei), Viện Nghiên cứu Nuôi trồng Thủy sản *Email: thuyha@ria1.org TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 8/2015 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN tơm sú (Penaeus monodon) cua xanh (Scylla paramamosain) Việc sử dụng thị phân tử để đánh giá nguồn vật liệu ban đầu cần thiết cung cấp thông tin tính đa dạng kiểu gen mức độ chủng nguồn vật liệu ban đầu Chỉ thị phân tử microsatellite, dựa khác biệt độ dài đoạn lặp khoảng -5 cặp nucleotide, thường sử dụng chương trình Các vị trí microsatellite thể tính đa hình cao, phong phú hệ gen thị đồng hợp trội Phân tích đa hình microsatellite dựa vào kỹ thuật PCR, cần lượng nhỏ mơ, ví dụ từ vẩy cá, đủ lượng DNA cho nghiên cứu (Goldstein Schlotter, 1999; Liu ctv., 2001; Zane ctv., 2005; Alam Islam, 2005; Boris ctv., 2011) Mục đích chọn giống để cải thiện di truyền cung cấp giống tốt phục vụ nuôi trồng thủy sản So với động vật khác, chọn giống đối tượng thủy sản nước ta có thành tựu đáng ghi nhận cá chép (C carpio), cá rô phi (O niloticus), cá tra (P hypophthalmus), tôm thẻ chân trắng (P vannamei), tôm sú (P monodon) Trong tương lai, chọn giống nhiều tiềm việc nâng cao suất, khả chống bệnh, chất lượng sản phẩm cho đối tượng nuôi trồng thủy sản LAI XA Lai xa nhằm cải thiện hiệu suất so với loài bố mẹ Lai lồi khác (hybridization) dịng khác biệt loài (crossbreeding) tạo nên tổ hợp allele locus Đôi khi, tổ hợp allele ngẫu nhiên gây tương tác để tính trạng tốt biểu Lai tạo phương pháp chọn giống hiệu lai thể dị hợp tử (Bourdon, 1999; Lakra, 2001; Gjedrem, 2005) Theo hướng này, nghiên cứu cá nước nước ta triển khai thu kết khả quan Chẳng hạn lai cá trê phi (Clarias gariepinus) đực cá trê vàng (Clarias macrocephalus) cho lai vừa tăng trưởng nhanh giống bố, vừa thịt ngon giống mẹ hay lai cá rô phi vằn Israel với cá đực rô phi xanh Israel cá rô phi vằn cho tỷ lệ cá đực cao có triển vọng thực tiễn sản xuất Bên cạnh đó, việc lai tạo khác loài cá biển thu kết đáng ghi nhận qua việc lai cá song vua (Epinephelus lanceolatus) với cá song hổ (Epinephelus fuscoguttatus) Mặc dù vậy, nghiên cứu theo hướng hàu (Crassostrea sp.) cá có giá trị kinh tế khác cần nghiên cứu quan tâm nhằm tạo lai có ưu lai giúp cao suất hiệu kinh tế THAO TÁC NHIỄM SẮC THỂ Đối với nghiên cứu áp dụng thao tác nhiễm sắc thể, dòng quần đàn đơn tính vơ sinh nuôi trồng thủy sản sản xuất Phương pháp can thiệp vào nhiễm sắc thể nhằm tạo dòng đơn tính đực đơn tính tạo đa bội thể (tam bội tứ bội thể) ứng dụng cho nhiều lồi cá lồi nhuyễn thể Dịng đơn tính sử dụng để sản suất quần đàn toàn loài với mang nhiễm sắc thể quy định tính xác định ngun lý hình thành giới tính cá Dịng đơn tính đực sản xuất quần đàn tồn đực có giá trị thương mại ni trồng thủy sản Phương pháp sử dụng việc tạo dòng phục hồi kiểu hình bị trình bảo quản tinh đơng lạnh Những cá thể đơn tính đực sản xuất số loài thuộc họ cá chép (Cyprinidae), họ cá rô phi (Cichlidae) họ cá hồi (Salominidae) Tạo đa bội thể việc sản xuất cá thể với nhiễm sắc thể nhiều bình thường (2n) Cá thể đa bội tạo cách xử lý hợp tử tác nhân gây đột biến áp suất thủy tĩnh, nhiệt độ hóa TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 8/2015 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN chất Ngay sau trứng thụ tinh, dùng tác nhân tác động vào giai đoạn trung kỳ hai lần giảm phân thu thể tam bội Cịn tác động vào giai đoạn tiền kỳ nguyên phân hợp tử cho dạng tứ bội (Beaumont Hoare, 2003; Komen Thorgaard, 2007) Ở nước ta, việc thử nghiệm sản xuất cá thể tam bội đối tượng thủy sản quan tâm Cá thể tam bội thường vô sinh nhiều trường hợp, có sức sinh trưởng tốt thể lưỡng bội Động vật thủy sản thân mềm hàu cửa sông (Crassostrea rivularis) tập trung nghiên cứu tam bội thể có dấu hiệu thành cơng bước đầu Bên cạnh đó, đối tượng cá cá tra (P hypophthalmus) cá rô phi (O niloticus) thử nghiệm tạo tam bội thể quy mô nhỏ Việc phát triển đàn bố mẹ tứ bội phục vụ cho việc lai tạo với đàn lưỡng bội để sản xuất tam bội thể quan tâm Tuy nhiên, khả sinh trưởng quần đàn tam bội cần quan tâm để giúp thúc đẩy phát triển đối tượng theo hướng thương mại hóa ĐIỀU KHIỂN GIỚI TÍNH Việc sử dụng kỹ thuật điều khiển giới tính để tác động lên lồi có giá trị kinh tế cao trở thành công cụ quan trọng nhằm tăng sản lượng nuôi trồng thủy sản Công nghệ cho phép sản xuất quần đàn đơn tính cơng cụ tiềm cho lồi mà giới tính có giá trị giới tính cịn lại Có hai phương pháp kỹ thuật điều khiển giới tính sử dụng hormone thao tác di truyền Sử dụng hormone hay điều khiển nội tiết tố đồng nghĩa với việc tập trung vào xử lý hợp chất steroid suốt giai đoạn đầu đời trước hình thành giới tính đối tượng thủy sản Thao tác di truyền giúp can thiệp giới tính để sản xuất quần đàn tồn cái, tồn đực vơ sinh coi phương pháp đa bội Việc xác định giới tính thơng qua di truyền phân tử Ở nước ta, kể đến cá rơ phi (O niloticus) cá hồi vân (O mykiss), với công nghệ sử dụng hormone để chuyển giới tính, từ cá thành cá đực (cá rô phi) ngược lại từ cá đực thành cá (cá hồi vân) để phục vụ nuôi trồng thủy sản cho suất hiệu cao Thành cơng điều khiển giới tính hai đối tượng đóng góp thành tựu lớn suất, sản lượng hiệu kinh tế Phương pháp di truyền giúp điều khiển giới tính tơm xanh (Macrobrachium rosenbergii) Bằng phương pháp vi phẫu cắt bỏ tuyến androgenic, tôm giả tạo lai với tôm đực khác để tạo quần đàn tơm xanh tồn đực CẤY CHUYỂN GEN Kỹ thuật chuyển gen nhằm đưa số copy gen tiềm vào trứng thụ tinh với mục đích hợp DNA lạ với hệ gen phôi phát triển Bằng việc đưa tính trạng di truyền mong muốn vào động vật thủy sản, đối tượng chuyển gen tốt sản xuất ni trồng thủy sản Những tính trạng bao gồm tốc độ tăng trưởng nhanh, tiêu hóa thức ăn hiệu quả, chịu đựng nồng độ oxy hịa tan thấp nhiệt độ khơng tối ưu Trong đó, tốc độ tăng trưởng tính trạng quan tâm nhiều khả ứng dụng vào thực tiễn cao Mặc dù công nghệ cấy chuyển gen có tiềm lớn ni trồng thủy sản, Việt Nam nghiên cứu theo hướng nhiều hạn chế Các nghiên cứu theo hướng biết đến chuyển tổ hợp gen hormone sinh trưởng vào cá cảnh thuộc họ Cyprinidae cá chạch bùn (Misgurnus anguillicaudatus) Với số kết bước đầu đạt được, việc nghiên cứu tạo cá chuyển gen cần tiếp tục tiến hành Để phát triển ứng dụng quy mô thương mại, đối tượng chuyển gen cần kiểm tra số vấn đề xã hội kinh tế cần giải trình cụ thể Những phát triển gần sinh học phân tử ví dụ PCR (Polymerase Chain TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 8/2015 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN Reaction), giải trình tự tự động, dự án lập đồ gen để phục vụ cho nghiên cứu phát triển xa nghiên cứu chuyển gen lồi thủy sản III VAI TRỊ CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN Với kết khiêm tốn đạt được, vai trò sinh học phân tử nuôi trồng thủy sản dần khẳng định Trong đó, thị phân tử coi công cụ hữu hiệu với nhiều ứng dụng Chẳng hạn dùng thị phân tử để định danh cá thể giúp xác định tên khoa học phân loại xác đến lồi Trong nghiên cứu này, DNA ty thể cung cấp thông tin có giá trị để trả lời câu hỏi phát sinh lồi, tiến hóa cấu trúc quần thể Trong nghiên cứu đa dạng di truyền, phả hệ đánh giá chất lượng quần đàn bố mẹ chương trình chọn giống, thị phân tử thể nhiều tính ưu việt (Wolfus ctv., 1997; Valles- Jiménez ctv., 2005; Perez-Enriquez ctv., 2009; Artiles ctv., 2011) Bên cạnh đó, thị phân tử giúp đánh dấu cá thể quần đàn nghiên cứu phân biệt cá thể gia đình Một ứng dụng mạnh mẽ cơng nghệ DNA tìm mối liên kết thị phân tử gen liên quan đến tính trạng quan trọng (Quantitative Trait Loci hay QTLs) Khi thị xác định, chương trình chọn giống hỗ trợ đắc lực (Liu Cordes, 2004; Chauhan Rajiv, 2010) Những nỗ lực suốt năm vừa qua cống hiến cho việc phát triển thị phân tử cho nhiều loài thủy sản hỗ trợ trực tiếp cho nghiên cứu QTLs Bên cạnh đó, thị phân tử sử dụng công cụ mạnh, khẳng định thành công can thiệp nhiễm sắc thể Đối với nghiên cứu theo hướng này, nước ta thực chương trình liên quan đến định danh lồi thị phân tử, tìm hiểu đa dạng di truyền quần thể đánh giá biến dị di truyền nguồn vật liệu thuộc chương trình chọn giống cá tra (P hypophthalmus), cá rơ phi (O niloticus), cá giị (R canadum), tơm thẻ chân trắng (P vannamei), tôm sú (P monodon) cua xanh (S paramamosain) Những ứng dụng quan trọng khác sinh học phân tử tới nuôi trồng thủy sản liên quan đến sản xuất cá chuyển gen Đánh giá độ thích ứng, biểu cấy chuyển tế bào mầm gen đưa vào hoàn toàn phụ thuộc vào cơng nghệ DNA Thêm vào đó, sinh học phân tử dựa kỹ thuật PCR sử dụng nhiều chuẩn đoán kiểm soát bệnh động vật thủy sản Ở nước ta, việc chế tạo kít thử dựa tảng cơng nghệ sinh học cao cho phép xác định nhân tố gây bệnh kiểm sốt bệnh mức độ xác cao thử nghiệm Bên cạnh đó, việc nghiên cứu sản xuất vắc xin để bảo vệ nhiều lồi cá có giá trị kinh tế cao trọng Tuy nhiên, để ứng dụng rộng rãi thực tế, nghiên cứu sâu với quy mô lớn cần quan tâm IV KẾT LUẬN Kỹ thuật di truyền đóng góp cho chương trình chọn giống nâng cao suất sản lượng đối tượng thủy sản trợ giúp chuẩn đốn, điều trị phịng ngừa bệnh động vật thủy sản Ứng dụng công nghệ sinh học đem lại cho nhà khoa học kiến thức cơng cụ để đạt kết nghiên cứu tốt hiệu Ở nước ta, việc ứng dụng công nghệ sinh học phân tử chiến lược chọn giống cho động vật thủy sản quan tâm song thiếu nghiên cứu dài hạn, thiếu cách hoạt động phù hợp, giá trị thương mại thấp chưa lựa chọn môi trường sản xuất phù hợp Công nghệ đem đến nhiều hội để phát triển thủy sản tạo thách thức cho lĩnh vực nghiên cứu phục vụ nuôi trồng thủy sản TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 8/2015 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN TÀI LIỆU THAM KHẢO Alam, S., and Islam, S., 2005 Population genetic structure of Catla catla (Hamilton) revealed by microsatellite DNA markers Aquaculture 246, 151-160 Artiles, A., Rodríguez, I., Pérez, A., Pérez, L., and Espinosa, G., 2011 Low genetic variability in the fifth introduction of Litopenaeus vannamei in Cuba, as estimated with microsatellite markers Biotecnologia Aplicada 28, 147-150 Beaumont, A.R., and Hoare, K., 2003 Biotechnology and Genetics in Fisheries and Aquaculture Oxford: Blackwell Science Boris, B., Xenia, C.O., and Marcel, S.V., 2011 Genetic diversity of six populations of red hybrid tilapia, using Microsatellite genetic Markers Rev MVZ Cordoba 16 (2), 24912498 Bourdon, M R., 1999 Understanding Animal Breeding, 2nd edition Chauhan, T., and Rajiv, K., 2010 Molecular markers and their applications in fisheries and aquaculture Advances in Bioscience and Biotechnology1, 281-291 Falconer, D.S., and Mackay, T.F.C., 1996 Introduction to Quantitative Genetics Longman, Essex, U.K., 4th ed Gjedrem, T., 2005 Selection and breeding programs in aquaculture Springer ISBN-10 1-4020-3341-9 364p Gjerde, B., 1993 Breeding and Selection In: Salmon Aquaculture Fishing News Books.p 278 p Goldstein, D.B., and Schlotterer, C., 1999 Microsatellites: Evolution and application Oxford uni Press Komen, H., and Thorgaard, G.H., 2007 Androgenesis, gynogenesis and the production of clones in fishes: a review Aquaculture 269, 150-173 Lakra, W.K., 2001 Genetics and Molecular Biology in Aquaculture - Review AsianAustralasian Journal of Animal Sciences 14(6), 894-898 Liu, Z.J and Cordes, J.F., 2004 DNA marker technologies and their applications in aquaculturegenetics Aquaculture 242(1-4), 735-736 Liu, Z.J., Li, P., Kocabas, A., Ju, Z., Karsi, A., Cao, D., and Patterson, A., 2001 Microsatellite containing genes from the channel catfish brain: evidence of trinucleotide repeat expansion in the coding region of nucleotide excision repair gene RAD23B Biochem Biophys Res Commun 289, 317-324 Perez-Enríquez, R., Hernández-Martínez, F., and Cruz, P., 2009 Genetic diversity status of White shrimp Penaeus (Litopenaeus) vannamei broodstock in Mexico Aquaculture 297, 44-50 Wolfus, G.M., Garcia, O.K., and Alcivar-Warren, A., 1997 Application of the microsatellite technique for analyzing genetic diversity in shrimp breeding programs Aquaculture 152, 35-47 Zane, L., Bargelloni, L., and Pataenello, T., 2002 Strategies for microsatellite isolation: a review Mol Ecol 11,1-16 Valles-Jiménez, R., Cruz, P., and Perez-Enriquez, R., 2005 Population genetic structure of Pacific White shrimp (Litopenaeus vannamei) from Mexico to Panama: microsatellite ADN variation Mar Biotechnol 6, 475-484 TAÏP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 8/2015 VIỆN NGHIÊN CỨU NUÔI TRỒNG THỦY SẢN GENETICS AND MOLECULAR BIOLOGY IN AQUACULTURE Tran Thi Thuy Ha1*, Luu Thi Ha Giang1 ABSTRACT In recent years, the advance in genetics and molecular biology of aquatic animals has provided useful information and has been applied in aquaculture The roles of modern genetic manipulations and biotechnological innovations to aquaculture have been realized This article reviews some points of the applications of genetics in breeding, hybridization, chromosome engineering, sex control, gene transfer and molecular technologies for enhanced aquaculture productivity in Vietnam Keywords: aquaculture, genetics, molecular biology Người phản biện: TS Trịnh Quốc Trọng Ngày nhận bài: 29/5/2015 Ngày thông qua phản biện: 03/8/2015 Ngày duyệt đăng: 07/8/2015 Research Institute for Aquaculture No *Email: thuyha@ria1.org TẠP CHÍ NGHỀ CÁ SÔNG CỬU LONG - - THÁNG 8/2015 ... gen lồi thủy sản III VAI TRỊ CỦA SINH HỌC PHÂN TỬ TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN Với kết khiêm tốn đạt được, vai trò sinh học phân tử nuôi trồng thủy sản dần khẳng định Trong đó, thị phân tử coi công... khác sinh học phân tử tới nuôi trồng thủy sản liên quan đến sản xuất cá chuyển gen Đánh giá độ thích ứng, biểu cấy chuyển tế bào mầm gen đưa vào hoàn toàn phụ thuộc vào cơng nghệ DNA Thêm vào... tiềm vào trứng thụ tinh với mục đích hợp DNA lạ với hệ gen phôi phát triển Bằng việc đưa tính trạng di truyền mong muốn vào động vật thủy sản, đối tượng chuyển gen tốt sản xuất ni trồng thủy sản