Phân tích đa dạng di truyền
Nhờ sự ra đời của các loại chỉ thị phân tử đã cung cấp cho các nhà khoa học một công cụ hữu ích trong việc nghiên cứu di truyền thực vật nói chung cũng nhƣ nghiên cứu đa dạng di truyền, chọn tạo giống thực vật nói riêng.Ƣu điểm của CTPT trong phân tích đa dạng di truyền là rút ngắn thời gian chọn lọc đối với các tính trạng không hoặc khó đánh giá thông qua kiểu hình. Các chỉ thị phân tử thƣờng đƣợc sử dụng để nghiên cứu, xác định mối quan hệ di truyền các cá thể trong cùng một loài hoặc giữa các loài là cơ sở cho việc phân loại dƣới loài, phát hiện loài mới và mối quan hệ tiến hoá giữa loài. Đặc biệt, nghiên cứu đa dạng di truyền có thể giúp tiên đoán khả năng cho ƣu thế lai giữa các cặp bố mẹ. (Cặp bố mẹ nào có khoảng cách di truyền xa hơn thƣờng sẽ cho ƣu thế lai lớn hơn).
RFLP là một trong những chỉ thị hình thành sớm nhất đƣợc sử dụng trong nghiên cứu đa hình di truyền. Wangz và ctv đã sử dụng chỉ thị RFLP để thiết kế sơ đồ cây chủng loại phát sinh ở lúa. (Wangz và ctv, 1992)[90] Jena. S và ctv đã dùng RAPD để xác định đa dạng cấu trúc ADN cây họ đậu. (Jena. S và ctv, 2004)[52] Lƣu Minh Cúc và ctv đã sử dụng SSR để khảo sát đa dạng di truyền một số giống lúa nếp phục vụ cho xây dựng quy trình tính khác biệt của giống lúa hỗ trợ cho khảo nghiệm DUS (Lƣu Minh Cúc, 2010)[7]. Chỉ thị phân tử ADN còn đƣợc ứng dụng trong nghiên cứu sự sai khác ADN giữa các giống đột biến so với các giống gốc ở thực vật.
Tìm chỉ thị phân tử liên kết gen và lập bản đồ gen
Một trong những ứng dụng quan trọng của chỉ thị phân tử ADN là tìm chỉ thị liên kết gen (Gene tagging) và lập bản đồ gen. Chỉ thị ADN cũng cho phép các nhà chọn giống thực vật đặt chính xác các QTL vào bản đồ phân tử. Bản đồ đối với tính trạng số lƣợng (QTL) thƣờng có rất ít thông tin về sự kiểm soát của gen. Nhƣng nó vô cùng quan trọng, vì hầu nhƣ các tính trạng chống chịu với điều kiện bất lợi đều yêu cầu bản đồ QTL. Ngƣời ta cần phải quét từ đầu đến cuối hệ gen với những chỉ thị bao phủ toàn bộ các NST, với khoảng cách trung bình 10cM giữa 2 chỉ thị.
Thông qua đó, ngƣời ta xác định những khu vực giả định có chứa các gen điều khiển tính trạng số lƣợng mà ta đang nghiên cứu.
Những chỉ thị đƣợc ứng dụng trong chọn giống cây trồng phải liên kết chặt với gen mục tiêu, trên cơ sở bản đồ di truyền phân tử.
Bản đồ di truyền lúa đầu tiên đƣợc thiết lập bởi Nagao và Takashuki năm 1963, gồm 12 nhóm liên kết. Vào những năm 70 của thế kỷ XX, nhiều nhà di truyền chọn giống đã đề xuất bản đồ di truyền của lúa thiết lập nhờ các thể ba (Trisomic). Sau đó bản đồ di truyền liên kết ở lúa đƣợc thiết lập trên cơ sở các chỉ thị đột biến hình thái và các chỉ thị izozym (Ishikawa và ctv, 1991; Wu và ctv, 1993)[48][93].
Hiện nay, các nhà khoa học đã xác định có khoảng trên 30 gen chính kháng bệnh bạc lá, 30 gen kháng đạo ôn, trên 20 gen kháng rầy nâu và một số QTL kháng đạo ôn và rầy nâu đã đƣợc phát hiện. Ngoài ra, nhiều gen và QTL có liên quan đến các tính trạng khác của cây lúa nhƣ chịu ngập, hạn, mặn, chịu độc nhôm, chịu thiếu phốt-pho, bất dục đực nhân nhậy cảm quang chu kỳ, bất dục đực nhân nhậy cảm nhiệt độ, gen tƣơng hợp rộng... cũng đƣợc lập bản đồ phân tử để đƣa vào sử dụng trong chọn giống. Lƣu Thị Ngọc Huyền và ctv bằng kỹ thuật AFLP để xác định chỉ thị phân tử liên kết gen kháng rầy nâu ở lúa CR203 (Thông tin CNSH ứng dụng, 2001)[14]. Michael J. Thomson và ctv đã lập bản đồ QTL và bằng chỉ thị phân tử và lai trở lại tạo giống lúa chống chịu mặn. (Michael J. Thomson, 2010)[88] Nguyễn Thị Lan Hoa và ctv đã sử dụng các chỉ thị SSR cho đa hình lập bản đồ các nhóm liên kết trong hệ gen và xác định vị trí gen kháng bệnh xanh lùn ở cây bông cỏ. (Nguyễn Thị Lan Hoa, 2009)[10]
Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử
Từ lâu, các nhà chọn giống đã quan tâm đến các chỉ thị hình thái liên kết với một số tính trạng nông học quan trọng và sử dụng chúng nhƣ một phƣơng tiện hữu ích trong quy trình tạo giống mới. Với chỉ thị hình thái các nhà chọn giống phải đánh giá kiểu hình của cả một quần thể nhằm phát hiện những cá thể chứa gen mong muốn.
Mặt khác chỉ thị hình thái vốn có số lƣợng không nhiều, những chỉ thị liên kết với gen quan tâm lại càng hiếm gặp vì thế giá trị thực tiễn của chỉ thị hình thái trong chọn giống gặp nhiều hạn chế. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ CTPT các nhà chọn giống bắt đầu quan tâm đến vấn đề chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại -MABC) với ý đồ sử dụng các chỉ thị phân tử liên kết với các gen mong muốn trong chọn tạo giống mới.
Thông thƣờng, trong quy trình chọn tạo giống truyền thống, ngƣời ta đƣa nguồn gen mới có tính trạng mong muốn vào 1 giống khác bằng phƣơng pháp lai trở lại liên tục qua 5-6 thế hệ, hoặc chọn lọc cá thể trong quần thể phân ly từ thế hệ F2 đến các thế hệ tiếp theo. Bằng phƣơng pháp này việc đƣa gen lặn vào tổ hợp lai, hoặc du nhập cùng một lúc vài gen mong muốn vào một dòng ƣu việt thƣờng gặp rất nhiều khó khăn hoặc đôi khi không thể thực hiện đƣợc (Mohan và cs., 1997) [65]. Còn đối với quy trình chọn giống nhờ chỉ thị phân tử, nguồn gen mới nhập đƣợc phát hiện gián tiếp thông qua các chỉ thị phân tử liên kết chặt với những gen đó.
Nguyên lý của phƣơng pháp MABC là chuyển một QTL/gen từ dòng cho gen vào dòng nhận gen trong khi chọn lọc sự hội nhập của dòng cho thông qua phần còn lại của hệ gen. (Thomson và ctv., 2009; Septiningsih và ctv., 2009; Singh và ctv., 2009).[87][77][78] Việc sử dụng các chỉ thị phân tử cho phép khảo sát di truyền của con lai ở mỗi thế hệ, đẩy nhanh tốc độ của quá trình chọn lọc, vì thế tăng cƣờng nền di truyền qua mỗi thế hệ. Ƣu điểm chính của phƣơng pháp MABC là: (1) Chọn lọc bằng chỉ thị phân tử đối với locut gen đích; (2) Chọn lọc nền di truyền đối với hệ gen cây bố mẹ tái tổ hợp, (3) Tiến gần đến locus quan tâm trên bản đồ liên kết, và (4) Chọn giống ngẫu nhiên kiểu gen mới với một số tính trạng quan tâm. Hiệu quả của các sản phẩm MABC sẽ đƣợc thể hiện trên đồng ruộng (Singh và ctv., 2009, Sarkar và ctv., 2009)[78][76] Ngoài ra, thông qua phƣơng pháp này, tốc độ của quá trình chọn lọc đƣợc đẩy nhanh lên gấp đôi, thậm chí gấp ba (chỉ cần đến thế hệ BC2 hoặc BC3 là đạt kết quả tƣơng đƣơng với BC6 theo phƣơng pháp thông thƣờng.
IRRI đã lập bản đồ chính xác QTL liên kết với tính trạng chịu ngập (Sub1) nằm trên nhiễm sắc thể số 9, và đã thành công đƣa vào 6 giống lúa cho vùng ngập bằng phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại. Sáu giống lúa đƣợc chuyển gen Sub1 là những giống phổ biến đƣợc nông dân trồng ở Nam và Đông Nam châu Á; Swarna, Sambha Mahsuri, IR64, BR11, TDK1 và CR1009, những giống này đã đƣợc trồng với diện tích trên triệu ha, đạt năng suất từ 1-3,5 tấn/ha trong điều kiện ngập hoàn toàn trong giai đoạn lúa con gái. Phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) cũng đã thành công trong việc chọn tạo giống lúa chịu mặn bằng việc chuyển QTL Saltol có khả năng chịu mặn nằm trên nhiễm sắc thể số 1, và đã thành công trên ba giống lúa trồng đại trà BR11, BRRI dhan28 và IR64.
Để đánh giá các giống lúa có mùi thơm Nguyễn Thị Lang và Bùi Chí Bửu đã nghiên cứu di truyền mùi thơm trên lúa và nhận thấy rằng gen mùi thơm đƣợc kiểm soát bởi một gen lặn và chỉ thị ADN liên kết với gen mùi thơm từ đó có thể phát hiện thể đồng hợp tử và dị hợp tử ngay từ thế hệ ban đầu. (Nguyễn thị Lang và Bùi Chí Bửu, 2004)[17].
Lƣu Thị Ngọc Huyền và ctv đã dùng chỉ thị SSR để tạo giống lúa thuần kháng rầy nâu cho ĐBSH và ĐBSCL (Lƣu Thị Ngọc Huyền, 2010)[15]. Lã tuấn Nghĩa cũng sử dụng chỉ thị SSR để tạo giống lúa kháng bệnh đạo ôn có năng suất chất lƣợng cao. (Lã Tuấn Nghĩa, 2011)[19]