7. Đ ÓNG GÓP MỚI CỦA ĐỀ TÀI
1.3. thu thập, bảo tồn và sử dụng nguồn gen khoai môn sọ
1.3.1. Một số vấn đề về thu thập, bảo tồn và sử dụng nguồn gen thực vật * Thu thập nguồn gen thực vật:
Nguồn gen thực vật có tầm quan trọng to lớn nhưng đang đứng trước nguy cơ xói mòn do nhiều nguyên nhân. Vì thế, đòi hỏi con người phải có những giải pháp thu thập, bảo tồn đảm bảo cho an ninh lương thực và phát triển bền vững trong tương lai. Từ thế kỷ 18, các nhà tạo giống cây trồng, các nhà nông nghiệp đã khảo sát và thu thập nguồn gen, tập trung vào các loài thực vật có giá trị kinh tế và giá trị sử dụng đặc biệt như cây ăn quả, cây lương thực phục vụ chọn tạo giống và phát triển nông nghiệp. Khái niệm về trung tâm phát sinh cây trồng thế giới và đa dạng di truyền được nêu thành lý thuyết khoa học. Nhiều cơ quan nghiên cứu đã tiến hành thu thập nguồn gen thực vật với nhiều mục đích khác nhau. Phương pháp thu thập phân thành hai hình thức truyền thống và hiện đại. Thu thập hiện đại thu thập cả những nguồn gen cần sử dụng hiện tại hoặc chưa sử dụng nhưng sẽ sử dụng trong tương lai. Thu thập truyền thống chỉ thu thập nguồn gen phục vụ cho nhu cầu hiện tại. Cả hai hình thức hoạt động đều góp phần tăng đa dạng nguồn gen và vật liệu di truyền cần thiết cho nghiên cứu phát triển [21].
* Bảo tồn nguồn gen thực vật:
Vấn đề bảo tồn nguồn gen có hai hướng tiếp cận là bảo tồn nội vi (bảo tồn In – situ) và bảo tồn ngoại vi (bảo tồn Ex-situ).
Bảo tồn nội vi là duy trì các quần thể thực vật trong điều kiện tự nhiên nơi xuất hiện tiến hóa của loài cây trồng đó. Nguồn gen thực vật được bảo tồn ở nông trại, vườn gia đình hoặc trên đồng ruộng. Các loài cây lâm nghiệp và cây hoang dại
thường được tạo các vùng bảo tồn tự nhiên như vườn quốc gia hoặc khu bảo tồn. Ba phương pháp bảo tồn nội vi chính bao gồm:
Bảo tồn trên nông trại (farm conservation);
Bảo tồn trong vườn gia đình (home garden conservation);
Bảo tồn ở khu bảo vệ hoặc vườn quốc gia (Conservation of wild and forest plants).
Bảo tồn ngoại vi là đưa nguồn gen ra khỏi điều kiện tự nhiên sinh sống của nó hoặc ra khỏi hệ thống sản xuất về bảo tồn ở các trung tâm bảo tồn (Trung tâm tài nguyên di truyền, các Viện nghiên cứu…). Phương pháp và kỹ thuật bảo tồn nội vi phụ thuộc vào loài cây trồng, hiện nay có 6 phương pháp bảo tồn khác nhau gồm:
Ngân hàng gen hạt (seed genebanks);
Ngân hàng gen đồng ruộng (field genebanks);
Bảo tồn in vitro với hai nhóm cây trồng, cây trồng kết hạt và cây trồng sinh sản sinh dưỡng và chia thành hai loại bảo tồn tế bào/mô và bảo tồn hạt phấn;
Ngân hàng ADN (DNA banks);
Bảo tồn lạnh (cryoconservation banks); Vườn thực vật (botanical gardens).
* Sử dụng nguồn gen thực vật:
Nguồn gen thực vật là tài sản của nhân loại và liên quan đến sự sống của con người, nó được sử dụng vào nhiều mục tiêu khác nhau. Một số tài nguyên di truyền đang được sử dụng trong hiện tại đáp ứng cho nhu cầu của con người, một số hiện nay chưa được sử dụng nhưng có tiềm năng sử dụng trong tương lai. Những lĩnh vực cần sử dụng tài nguyên di truyền thực vật chính bao gồm:
Nghiên cứu cơ bản: Sử dụng nguồn gen cho nghiên cứu cơ bản chủ yếu ở các lĩnh vực nghiên cứu di truyền, thực vật học, nghiên cứu ưu thế lai, tính chống chịu, hóa sinh, sinh học phân tử, công nghệ di truyền, công nghệ tế bào, môi trường…
Sử dụng trong các chương trình tạo giống với các mục tiêu khác nhau: Nguồn gen được sử trong các chương trình lai giống, chuyển gen, cải tiến giống, tạo giống thích nghi, tạo giống chống chịu…
Sử dụng thu thập mẫu giống nguồn gen hạt nhân: Sau quá trình thu thập, việc bảo tồn nguồn tài nguyên di truyền thực đã xuất hiện những khó khăn, trở ngại là nguồn gen thu thập và bảo tồn quá lớn dẫn đến khó khăn về tổ chức thu thập cũng như xắp xếp bảo tồn; nguồn gen trong bảo tồn quá lớn nhưng số đa dạng di truyền sử dụng lại không lớn, gây cản trở việc sử dụng, khai thác. Nhận thức đầy đủ về vấn đề này, Frankel (1984) đề nghị giới hạn nguồn gen bằng thu thập nguồn gen hạt nhân, thiết lập từ bộ mẫu giống nguồn gen (ngân hàng gen) đã thu thập với số lượng tối thiểu nhưng đại diện cho đa da dạng di truyền toàn bộ ngân hàng gen (dẫn theo Vũ Văn Liết, 2009) [21].
Mục đích thu thập nguồn gen hạt nhân:
Thu thập nguồn gen hạt nhân nhằm phục vụ bảo tồn và sử dụng nguồn gen cho nhiều mục đích, nhưng có ba mục đích chính của thu thập nguồn gen hạt nhân:
Giúp quản lý nguồn tài nguyên di truyền thực vật; Lưu giữ các giống cây trồng;
Giúp các nhà nghiên cứu tiếp cận toàn bộ nguồn gen chỉ thông qua một số lượng tối thiểu các mẫu giống của nguồn gen.
Các phương pháp thu thập nguồn gen hạt nhân:
Phương pháp chọn lọc ngẫu nhiên các mẫu giống từ ngân hàng gen gốc: Phương pháp này đơn giản nhất và hầu như hiệu quả cũng thấp nhất, nhưng vẫn tốt hơn phương pháp lấy mẫu giống liên tục theo số thứ tự xắp xếp ngân hàng gen [21]. Phương pháp lấy mẫu giống theo xác xuất: Ví dụ lấy 10% của các mẫu giống nguồn gen có số thứ tự mà cuối cùng của số thứ tự đó là 0, nhưng phương này chỉ thỏa mãn khi không sử dụng bất kỳ thông tin nào của nguồn gen, vì nếu sử dụng sẽ làm thay đổi tính đại diện của mẫu giống nguồn gen hạt nhân.
Các phương pháp thu thập mẫu giống hạt nhân khác: Thu thập nguồn gen hạt nhân dựa trên mức độ ưu tiên các tính trạng hay mẫu giống nguồn gen theo mục tiêu sử dụng, mức độ xói mòn nguồn gen, số mẫu giống đại diện cho loài, nguồn gen hiếm, vùng sinh thái…[21].
Cỡ mẫu giống điểm thu thập nguồn gen hạt nhân:
Sau khi xác định vật liệu mẫu giống hạt nhân đại diện, bước tiếp theo cần xác định cỡ mẫu giống, cỡ mẫu giống sẽ nhỏ hơn mẫu giống nguồn. Cỡ mẫu giống hạt nhân chiếm khoảng 5 - 20% tổng số mẫu giống nguồn gen hiện có. Thu thập mẫu giống điểm phải bảo đảm một bộ các mẫu giống đại diện cho đa dạng của các tính trạng quý hiếm, hay tính trạng mục tiêu từ nguồn gen hiện có và không có một tỷ lệ cố định cho tất cả các trường hợp mà tùy theo loài mục tiêu [21].
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 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