7. Đ ÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI
1.3.2. Thu thập, bảo tồn và sử dụng nguồn gen khoai môn sọ
1.3.2.1. Thu thập và bảo tồn nguồn gen khoai môn sọ
Khoai môn sọ là cây trồng quan trọng nhưng không được các cộng đồng nghiên cứu nông nghiệp quốc tế quan tâm thích đáng cho đến năm 1998 [91]. Dự án Tài nguyên di truyền khoai môn sọ - TaroGen (The Taro Genetic Resources: Conservation and Utilisation network) được thành lập vào đầu năm 1998 (sau sự bùng nổ của bệnh bạc lá khoai môn sọ ở Samoa) và hoàn thành vào cuối năm 2003. Mục tiêu của TaroGen là phát triển và thực hiện chiến lược khu vực cho bảo tồn nguồn di truyền khoai môn sọ ở Châu Đại Dương. Dự án đã hỗ trợ các nước tham gia (Quần đảo Cook, Fiji, Niue, Papua New Guinea, Samoa, Solomon, Tonga và Vanuatu) thu thập, mô tả, bảo tồn và sử dụng nguồn gen khoai môn sọ trong các chương trình cải tiến giống. 2.199 mẫu giống khoai môn sọ được thu thập, mô tả, trong đó, 211 mẫu giống đã được lựa chọn vào bộ sưu tập hạt nhân khoai môn sọ vùng dựa trên các đặc điểm kiểu hình và đặc điểm phân tử ADN [105].
TANSAO (Taro Network for Southeast Asia and Oceania) là một mạng lưới quốc tế khác nghiên cứu về cây khoai môn sọ ở Châu Á và châu Đại Dương, cũng được thành lập vào năm 1998. Các thành viên tham gia của dự án bao gồm Indonesia, Malaysia, Philippines, Thái Lan, Việt Nam, Papua New Guinea và Vanuatu hoạt động phối hợp với Đại học Nông nghiệp Wageningen. TANSAO nhằm mục đích nâng cao vị thế cạnh tranh của khoai môn sọ trong hệ thống mùa vụ và thị trường thương mại. Dự án hoàn thành vào tháng 12 năm 2001, đã thiết lập thành công ngân hàng gen khoai môn sọ ở 7 nước thành viên và xác lập được ngân
hàng gen hạt nhân với 168 mẫu giống dựa trên đặc điểm hình thái và dữ liệu isozyme [105].
Cập nhật những thông tin về bộ sưu tập khoai môn sọ và các loài ăn được khác thuộc họ Ráy gặp khá nhiều khó khăn. Khó khăn lớn nhất là do các bộ sưu tập được thu thập ở các nước bị mất đi một cách nhanh chóng bởi nguồn đầu tư duy trì hạn hẹp và những khó khăn, phức tạp trong vấn đề bảo tồn.
Các bộ sưu tập khoai môn sọ của các nước hầu hết được bảo tồn trên đồng ruộng, số lượng nhỏ bảo tồn in vitro. Việc sử dụng bộ sưu tập khoai môn sọ ở hầu hết các nước còn chưa được quan tâm, chỉ các bộ sưu tập ở Ấn Độ, Philippines, Papua New Guinea và Vanuatu được sử dụng một phần cho chương trình cải tiến giống [105].
Việt Nam là nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có điều kiện địa lý, địa hình đặc biệt tạo nên khu hệ động thực vật và vi sinh vật rất phong phú và đa dạng, là một trong 16 nước có sự đa dạng sinh học cao nhất thế giới (dẫn theo Nguyễn Thị Ngọc Huệ, 2008) [16]. Nguồn gen khoai môn sọ của Việt Nam vì thế cũng rất đa dạng. Nghiên cứu bảo tồn khoai môn sọ của Việt Nam được thực hiện theo hai hình thức: bảo tồn ngoại vi và bảo tồn nội vi.
Nghiên cứu bảo tồn ngoại vi do Viện Khoa học Kỹ thuật Nông nghiệp Việt Nam bắt đầu thực hiện từ năm 1990 với các hoạt động điều tra thu thập, lưu giữ trên đồng ruộng, thí nghiệm và đánh giá ban đầu. Đến nay phương pháp này cho thấy rất hiệu quả, bảo tồn được nhiều nguồn gen quí, đặc sản. Tính đến năm 2012, Trung tâm tài nguyên Thực vật đã thu thập, đánh giá và lưu giữ được 478 giống khoai môn sọ từ mọi miền đất nước, trong đó 152 giống khoai môn sọ được bảo tồn trong ngân hàng gen in vitro [10]. Tuy nhiên phương pháp bảo tồn ngoại vi còn có hạn chế như: sự tiến hoá tự nhiên của loài bị chậm lại; là cây nhân giống vô tính, khoai môn sọ phải bảo quản trên đồng ruộng tốn kém về nhân lực và tài chính lại dễ bị ảnh hưởng do sai sót trong quản lý và nhiễm sâu bệnh hại. Để khắc phục những hạn chế trên, từ năm 1999, hướng nghiên cứu cơ sở khoa học bảo tồn nội vi (chủ yếu
theo hướng bảo tồn tại các nông hộ - bảo tồn on-farm) nguồn gen môn sọ đã bắt đầu được quan tâm.
Bảo tồn nội vi các loài cây trồng nói chung và khoai môn sọ nói riêng, bao gồm bảo tồn tại các nông trại các giống địa phương cổ truyền kết hợp với nhân giống tích cực bởi nông dân. Kết quả điều tra, nghiên cứu cơ sở khoa học của phương pháp bảo tồn nội vi cho thấy đa dạng nguồn gen khoai môn sọ tại các vùng sinh thái chịu tác động qua lại của các nhân tố tự nhiên và kinh tế xã hội khác nhau như hệ sinh thái nông nghiệp, áp lực của thị trường, vùng địa lý và văn hóa truyền thống tại địa phương. Thành phần giống và các nhân tố tác động biến động rõ rệt ở các địa phương, các vùng sinh thái [14]. Giai đoạn 1999 - 2003 trong khuôn khổ dự án “Tăng cường cơ sở khoa học bảo tồn in situ đa dạng sinh học nông nghiệp” tại 7 điểm nghiên cứu thuộc 4 hệ sinh thái điển hình, Trung tâm Tài nguyên thực vật cùng với Trường đại học Nông nghiệp Hà Nội I, Đại học Nông Lâm Huế, Đại học Cần Thơ và Đại học Tây Nguyên đã tiến hành những nghiên cứu cơ bản nhằm xác định cơ sở khoa học cho việc triển khai cụ thể bảo tồn nguồn gen khoai môn sọ trên đồng ruộng của nông dân ở Việt Nam. Giai đoạn 1999 - 2001, trong khuôn khổ dự án “Đóng góp của vườn gia đình cho bảo tồn đa dạng sinh học”, các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy vườn gia đình cũng là nơi bảo quản lưu giữ nguồn gen môn sọ rất hữu hiệu. Tính đến năm 2012, đã có 195 giống khoai môn sọ được bảo tồn nội vi [10], [117].
1.3.2.2. Tình hình nghiên cứu khai thác và sử dụng nguồn gen khoai môn sọ * Nghiên cứu chọn lọc và phục tráng nguồn gen khoai môn sọ địa phương
Trên thế giới, ứng dụng công nghệ sinh học trong phục tráng và nhân nhanh giống khoai môn sọ đã được áp dụng từ những thập niên 70 và ngày càng được sử dụng rộng rãi. Nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ nuôi cấy mô tế bào để nhân giống nhanh, làm sạch bệnh virus phục vụ mở rộng sản xuất đã được công bố [38], [40], [46], [104] …
Việt Nam có nguồn cây họ Ráy rất đa dạng và là quê hương của một số loài cây môn sọ quan trọng (TANSAO project report, 2002). Khoai môn sọ (Colocasia
esculenta (L.) Schott) là một cây trồng truyền thống đa dụng, rất phổ biến trong đời sống hàng ngày của người nông dân. Cây khoai môn sọ được trồng và phát triển tốt ở nhiều vùng sinh thái khác nhau cả ở những vùng đất trống đồi trọc nơi có khí hậu khắc nghiệt, vùng đồi núi, vùng trung du, đồng bằng, ở ven bờ ao hay vườn nhà. Ngoài ra khoai môn sọ còn là sản phẩm văn hoá – tín ngưỡng của nhiều cộng đồng dân tộc ở Việt Nam, có mặt trong các lễ hội và là sản phẩm được tượng trưng cho sự duy trì nòi giống (dẫn theo Nguyễn Phùng Hà) [117]. Nhiều giống khoai môn sọ của Việt Nam nổi tiếng thơm ngon như khoai Sáp vàng (Thanh Hóa), khoai Môn thơm (Lạng Sơn), khoai Chợ Đồn (Bắc Kạn), khoai sọ Nho Quan (Ninh Bình)… Những giống khoai này được xem như những giống khoai “đặc sản” của mỗi vùng. Để lưu giữ, theo cách truyền thống, người nông dân đã sử dụng củ con khoai môn sọ trồng qua các vụ. Với kiến thức và kinh nghiệm trồng trọt, nhiều giống khoai môn sọ quí hiếm đã được người dân gìn giữ lâu đời, đặc biệt là các giống khoai quí hiếm ở các vùng dân tộc thiểu số. Do hiệu quả không cao của phương pháp lưu giữ và nhân giống truyền thống của người dân, do đô thị hóa, sự thay đổi cơ cấu cây trồng … cùng với các đặc tính sinh học của khoai môn sọ (tính ngứa, dễ tàn lụi, dễ thối nhũn…) đã làm suy giảm đa dạng sinh học loài cây trồng này và cả nguy cơ mất nguồn gen khoai môn sọ quí hiếm ở các địa phương. Nguồn gen khoai môn sọ quý đang dần bị thu hẹp hoặc chỉ được trồng nhỏ lẻ ở các hộ nông dân. Những giống khoai môn sọ thơm ngon vì thế khó có thể trở thành hàng hóa để đến với người tiêu dùng. Nhận thức được vị trí, vai trò quan trọng của bảo tồn nguồn gen khoai môn sọ bản địa quí và mở rộng sản xuất đáp ứng nhu cầu, thị hiếu của người tiêu dùng, trong những năm gần đây, các nghiên cứu áp dụng công nghệ tế bào trong phục tráng và nhân giống khoai môn sọ đã được chú ý ở Việt Nam. Các Viện nghiên cứu, các trường Đại học đã phối hợp với các sở Khoa học Công nghệ các tỉnh áp dụng nuôi cấy mô tế bào trong phục tráng và nhân nhanh đáp ứng nguồn cung cấp giống một số giống khoai môn sọ quí như khoai Bắc Kan, khoai sọ Nho Quan (Ninh Bình) … [116], [118], [119], [121]. Công nghệ tế bào áp dụng trong sản xuất đã góp phần làm sạch bệnh, nhân nhanh và mở rộng sản xuất một số giống
khoai môn sọ quí địa phương, tăng thu nhập cho người nông dân và mở rộng thị trường khoai môn sọ trong nước cũng như quốc tế.
* Lựa chọn bộ mẫu giống hạt nhân từ nguồn gen khoai môn sọ địa phương
Lựa chọn bộ sưu tập mẫu giống hạt nhân từ bộ mẫu giống khoai môn sọ ở địa phương, quốc gia, khu vực được thực hiện ở nhiều mức độ khác nhau: dựa trên các đặc điểm hình thái, dựa trên kết hợp đặc điểm hình thái và isozyme, kết hợp đặc điểm hình thái và chỉ thị RFLP, kết hợp đặc điểm hình thái và chỉ thị AFLP, kết hợp đặc điểm hình thái và chỉ thị SSR hay chỉ dựa trên các dữ liệu SSR. Việc lựa chọn các phương pháp khác nhau để thiết lập bộ sưu tập hạt nhân với qui mô mẫu giống khác nhau tùy thuộc vào điều kiện địa phương, quốc gia, vùng và số lượng mẫu giống ban đầu…
Năm 2004, Okul và cs đã thiết lập bộ mẫu giống hạt nhân khoai môn sọ thu thập ở Papua New Guinea dựa trên 18 đặc điểm hình thái – nông học. Tổng số 31 mẫu giống đã được lựa chọn cho bộ mẫu giống hạt nhân từ bộ mẫu giống quốc gia gồm 276 mẫu giống [85].
Dựa trên đặc điểm hình thái – nông học và chỉ thị isozyme, Lebot và cs (2004) đã thiết lập bộ sưu tập hạt nhân khoai môn sọ Đông Nam Á và Thái Bình Dương gồm 168 mẫu giống, trong đó 54 mẫu giống từ Inonesia, 15 mẫu giống từ Malyasia, 19 mẫu giống từ Philippines, 35 mẫu giống từ Thái Lan, 29 mẫu giống từ Việt Nam và 16 mẫu giống từ Vanuatu [65].
Tùy theo điều kiện địa phương, đặc điểm của nguồn gen khoai môn sọ thu thập mà các quốc gia, vùng, khu vực đã sử dụng các phương pháp khác nhau để thiết lập bộ sưu tập hạt nhân. Khi thiết lập bộ sự tập hạt nhân khoai môn sọ cho khu vực Thái Bình Dương, Mace và cs (2010) [71] đã sử dụng 2 cách khác nhau: cách thứ nhất dựa trên đặc điểm hình thái để lựa chọn khoảng 20% mẫu giống, sau đó sử dụng chỉ thị SSR (7 cặp mồi SSR) cho xác định bộ sưu tập hạt nhân quốc gia chiếm khoảng 10% bộ sưu tập ban đầu từ các bộ sưu tập khoai môn sọ của Papua New Guinea (816 mẫu giống), Vuuatu (452 mẫu giống) và New Caledonia (81 mẫu giống). Đối với các bộ sưu tập khoai môn sọ của các nước còn lại, bộ sưu tập hạt
nhân được lựa dựa trên chỉ thị SSR. Bộ sưu tập hạt nhân của 9 nước sau đó được lựa chọn thành bộ sưu tập hạt nhân khu vực dựa trên kết quả phân tích đặc điểm hình thái và chỉ thị SSR (Bảng 1.2).
Bảng 1.2. Qui trình thiết lập bộ sưu tập hạt nhân khoai môn sọ ở các nước Thái Bình Dương
Tên quốc gia Bộ sưu tập quốc
gia
(Mẫu giống)
Lựa chọn ban đầu Lựa chọn các mẫu giống cho bộ sưu tập hạt nhân Cơ sở lựa chọn Số lượng mẫu giống Cơ sở lựa chọn Số lượng mẫu giống
Papua New Guinea 859 Dựa trên phân tích 22 đặc điểm hình thái
151 Dựa trên phân tích SSR (7 mồi SSR) 83 Vanuatu 502 89 45 New Caledonia 82 18 8 Fiji 72
Dựa trên phân tích SSR (7 mồi SSR)
70 - 8
Palau 11 11 - 5
Quần đảo Cook 18 13 - 3
Niue 25 22 - 6
Samoa 15 13 - 4
Tonga 9 9 - 3
(Nguồn theo Mace và cs (2010) [71])
* Nghiên cứu cải tiến nguồn gen khoai môn sọ địa phương
Trên thế giới đã có một số nghiên cứu cải tiến nguồn gen khoai môn sọ thành công. Các nghiên cứu được tiến hành theo các hướng: nhập nội các giống khoai môn sọ ngoại lai, lai tạo, xử lí đột biến và chuyển gen.
Theo hướng chuyển gen, Xiaoling và cs (2008) [108] đã thành công trong chuyển gen richi11 qua Agrobacterium tumefaciens vào mô sẹo khoai môn sọ ở Hawaii. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy cả 6 dòng khoai môn sọ được chuyển gen biểu hiện tăng khả năng chịu đựng với nấm gây bệnh Sclerotium rolfsii, giới hạn biểu hiện giảm mức phá hại của nấm gây bệnh từ 42 – 63%.
Theo hướng lai tạo, Singh và cs (2010) [100] đã tiến hành lai tạo khoai môn sọ ở Papua New Guinea, bắt đầu từ năm 1993, nhằm tạo dòng khoai môn sọ kháng bệnh bạc lá, có tiềm năng năng suất và chất lượng tốt. Nghiên cứu sử dụng nguồn vật liệu ban đầu cho lai tạo gồm một giống khoai môn sọ hoang dại ở Thái Lan, 3 giống khoai môn sọ bán hoang dại (Ph15, Ph17 và Ph21) và hơn 50 giống khoai môn sọ phổ biến, năng suất vượt trội đang được trồng ở ở Papua New Guinea. Quá
Papua New Guinea. Chu kỳ 1 bắt đầu năm 1994, lai các giống kháng với các giống khoai địa phương có năng suất vượt trội. Không lựa chọn được dòng nào từ chu kỳ 1 do hầu hết các dòng mang các đặc điểm hoang dại không mong muốn. Chu kỳ 2, bắt đầu từ năm 1996, bằng cách lai các dòng mang các đặc điểm ưu thế nhất của chu kỳ 1. Kết quả đã chọn được 32 dòng dựa vào các đặc điểm đánh giá sơ bộ trên đồng ruộng như khả năng kháng bệnh bạc lá, năng suất cao và chất lượng củ ngon vào năm 1998. Đánh giá qua các thế hệ trên đồng ruộng, từ chu kỳ 2 đã lựa chọn được 3 dòng ưu tú đưa vào sản xuất kí hiệu NT01, NT02 và NT03. Chu kỳ 3, lai giữa 21 dòng mang các đặc điểm nổi trội ở chu kỳ 2 đã tạo ra 10.000 cây. Qua lựa chọn sơ bộ đã tạo được các dòng nổi trội về khả năng kháng bệnh bạc lá, năng suất cao và chất lượng củ ngon. Đánh giá qua các thế hệ đã lựa chọn được được 6 dòng có khả năng kháng bệnh, năng suất cao, chất lượng củ ngon và thích nghi tốt với môi trường sinh thái. Tiến hành lai 49 dòng được lựa chọn từ chu kỳ 3, chu kỳ 4 thu được xấp xỉ 8.000 cây con. 237 dòng đã được lựa chọn dựa vào các đặc điểm nổi trội về năng suất, khả năng kháng bệnh bạc lá và chất lượng củ. Qua thử nghiệm khả năng thích nghi ở các vùng sinh thái khác nhau đã lựa chọn được 22 dòng ưu tú đưa vào sản xuất.
Papua New Guinea là một trong số ít các nước của vùng Thái Bình Dương đã thành công trong lai tạo giống khoai môn sọ có năng suất cao, kháng bệnh bạc lá và chất lượng củ ngon. Việc đưa các giống này vào sản xuất đã giúp tăng năng suất để bảo tồn nguồn lương thực truyền thống với các nét đặc trưng văn hóa của Papua New Guinea. Chương trình nhân giống ở Papua New Guinea được sử dụng như một phương tiện để kiểm soát bệnh bạc lá khoai môn sọ ở khu vực Thái Bình Dương. Các giống này được chuyển giao cho trung tâm giống khu vực ở Fiji (Regional Gernplasm Centre Fiji) để phân phối cho các quốc gia ở quần đảo Thái Bình Dương.
Việc mở rộng vốn gen đã và đang được thực hiện với các nước ở khu vực Thái Bình Dương. Các nghiên cứu hóa sinh và phân tử về nguồn gốc khoai môn sọ từ châu Á và Thái Bình Dương đã xác định được sự tồn tại của hai vốn gen khoai