CHƢƠNG I : TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.4. SỬ DỤNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ TRONG PHÉP LAI TRỞ LẠI
1.4.2. Phƣơng pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử kết hợp với la
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 [18].
Trong trƣờng hợp ta có 1 giống cây trồng ƣu tú nhƣng cần đƣa thêm một vài gen mong muốn vào giống đó, ngƣời ta sử dụng quy trình lai trở lại nhiều lần với giống ƣu tú nhằm thu đƣợc 1 giống cây trồng mới mang gen mong muốn nhƣng vẫn gữ nguyên nền di truyền của giống ƣu tú. Theo quy trình lai trở lại truyền thống, phải ít nhất 6-8 thế hệ mới thu đƣợc cây mang gen mong muốn nhƣng giữ đƣợc gần 100% nền gen di truyền của giống ƣu tú. Quy trình tổng quát quá trình lai tạo sử dụng phƣơng pháp lai trở lại qua các thế hệ và tỷ lệ phần trăm gen có trong dòng BC qua các thế hệ đƣợc minh họa ở dƣới đây (hình 1.3).
Hình 1.3: Quá trình backcross qua các thế hệ và tỷ lệ phần trăm gen có trong các đời backcross
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ chọn giống nhờ chỉ thị phân tử, các nhà khoa học đã đƣa ra một phƣơng pháp chọn giống phân tử mới – đó là “Chọn giống lai trở lại nhờ chỉ thị phân tử (Marker-Assisted Backcrossing – MABC). MABC là phƣơng pháp thiết thực, hiệu quả trong việc đƣa locus gen quy định tính trạng di truyền số lƣợng hay gen mong muốn vào giống ƣu tú nhằm chọn tạo giống mới mang gen/tính trạng di truyền số lƣợng mong muốn nhƣng vẫn giữ nguyên (gần 100%) nền gen di truyền của giống ƣu tú với thời gian chọn giống rất ngắn: quy trình chọn giống kết thúc ở thế hệ BC3, thậm chí BC2.
Nguyên lý của phƣơng pháp MABC là chuyển một tính trạng di truyền số lƣợng/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 [19,20]. 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:
Chọn lọc nền di truyền đối với hệ gen cây bố mẹ tái tổ hợp Tiến gần đến locus quan tâm trên bản đồ liên kết
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 [19]. Thông qua phƣơng pháp MABC 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). Chọn giống qua phƣơng pháp BC nhờ chỉ thị phân tử còn giúp khắc phục đƣợc những trở ngại mà công tác chọn giống truyền thống rất khó giải quyết nhờ loại bỏ đƣợc các tác động gây nhiễu do các tƣơng tác trong cùng một alen hay giữa các alen gây ra. Những tƣơng tác này thƣờng không thể phát hiện đƣợc bằng cách phân tích kiểu hình. Phƣơng pháp này còn đặc biệt hiệu quả trong trƣờng hợp cần đƣa nhiều gen khác nhau vào một nền gen ƣu việt.
* Ứng dụng MABC trong chọn lọc ngô.
Ở ngô MABC đã đƣợc ứng dụng thành công để cải tiến những tính trạng phức tạp nhƣ tính trạng năng suất hạt. Sử dụng MABC, 6 đoạn NST từ Tx303 và Oh43 đƣợc chuyển sang 2 dòng thuần B73 và Mo17 qua 3 thế hệ lai trở lại và 2 thế hệ tự phối. Những dòng đƣợc cải tiến đƣợc lựa chọn dựa trên những đánh giá. Sau đó, phép lai đơn giữa dòng cải tiến B73 và dòng cải tiến Mo17 cho dòng lai tăng năng suất 12-15%. [20]
Ribaut et al., 2007 đã mô tả kết quả MABC trong cải tiến năng suất ngô trong điều kiện khô hạn của ngô nhiệt đới và so sánh với các phƣơng pháp thay thế MAS [21]. Việc đƣa các alleles từ 5 vùng đích mà tham gia vào sự biểu hiện của các yếu tố cấu thành năng suất và đặc điểm ra hoa đã làm tăng năng suất hạt và làm giảm sự chênh lệch thời gian ra hoa đực và hoa cái trong điều kiện thiếu nƣớc. Khoảng 85% kiểu gen của bố mẹ (recurrent parent) ở ngoài vị trí target đã đƣợc phục hồi sau 4 thế hệ MABC bằng việc sàng lọc quần thể phân ly với số lƣợng cá thể lớn (2200 cá thể) cho 3 thế hệ đầu. Các
dòng BC2F3 đƣợc lai với 2 tester và đánh giá ở những chế độ nƣớc khác nhau cho thấy năng suất của các dòng lai chọn lọc từ MABC cao hơn so với đối chứng trong điều kiện thiếu nƣớc, ít nhất là 50% (dựa trên năng suất trung bình của 5 dòng lai từ MABC tốt nhất). Kết quả cũng chỉ ra rằng việc chọn lọc khoảng 10-20 kiểu gen ở mỗi chu kì MABC là hiệu quả nhất [21].
Theo báo cáo của Zhao et al., 2012, locus tính trạng số lƣợng chính (qHSR1) trên NST số 2 (bin 2.09) quy định khả năng kháng bệnh than (head smut) đã đƣợc tích hợp thành công vào 10 dòng ngô thuần năng suất cao (dòng mẫn cảm với bệnh than). Mỗi dòng thuần này đƣợc lai với dòng cho gen Ji1037, rồi đƣợc lai trở lại với dòng nhận gen tƣơng ứng qua 5 thế hệ. Việc chọn lọc foreground đƣợc tiến hành với các marker liên kết với
qHSR1. Việc chọn lọc tái tổ hợp (recombinant selection) đƣợc tiến hành ở
thế hệ BC4 bằng flanking marker để giảm những liên kết kéo theo. Việc chọn lọc background (chọn lọc nền di truyền) đƣợc thực hiện ở thế hệ BC5 với các marker SSR bao phủ khắp hệ gen. Các cá thể BC5 đƣợc chọn lọc sẽ đƣợc cho tự thụ phấn qua hai thế hệ. Cả 10 dòng thuần đƣợc cải tiến mang
qHSR1 đều thể hiện tăng tính kháng với bệnh than. Thế hệ lai từ các dòng
thuần này tăng tính kháng rõ rệt và đảm bảo duy trì đƣợc các đặc tính nông học ƣu tú khác. [22, 23]
Gupta et al., 2013 đã sử dụng phƣơng pháp MABC để tạo ra giống ngô lai Vivek Quality Protein Maize (QPM) 9 từ phép lai giữa hai dòng thuần CM 212 và CM 145 mà đã đƣợc cải tiến khả năng tổng hợp lysin và trypyophan bằng cách tích hợp alen opaque-2 từ dòng cho gen là CML 180 và CML170. Giống ngô lai Vivek Quality Protein Maize (QPM) 9 tăng khả năng tổng hợp tryptophan và lysin lên lần lƣợt là 41 và 30% so với giống ngô lai ban đầu [24].
Gần đây, Zhang et al., 2017 đã lập bản đồ của tính trạng số lƣợng Qgls8 cho khả năng kháng bệnh đốm lá (gray leaf spot - GLS) ở ngô với vùng rộng khoản 130 kb nằm trên NST số 8 bao gồm 5 genes (predicted genes). [25]
Ở Việt Nam, phƣơng pháp MABC cũng đã đƣợc áp dụng thành công để cải tiến một số giống lúa nhƣ Bắc Thơm kháng bạc lá, BC15 kháng đạo ôn, lúa chịu ngập AS996.
Nguyễn Thị Lệ., 2014, sử dụng dòng chuẩn kháng IRBB21 mang gen kháng bệnh Xa21 lai tạo với giống Bắc Thơm 7 tạo ra giống cải tiến kháng 3 chủng bạc lá do Bộ môn bệnh cây- Khoa Nông học phân lập: Chủng 3 (Isolate: 981.HUA10146); chủng 5 (Isolate: 996.HUA10147); chủng 14 (Isolate: 1035.HUA10153) cho năng suất tƣơng đƣơng với giống Bắc Thơm 7. [26]
Năm 2017, Trần Thị Thúy và các cộng sự đã thiết kế mồi nhận biết gen ứng viên (candidate gene) kháng đạo ôn Pik-p ở một số giống lúa địa
phƣơng. Tầm soát trình tự gen Pik-p của 36 giống lúa địa phƣơng và xác định giống OM5629 có trình tự, thành phần Nucleotide, amino acid ở vùng CDS (Coding DNA Sequence) tƣơng tự nhƣ gen tham chiếu. Cặp mồi Pikpdel16 đã đƣợc thiết kế có thể khuếch đại đoạn gen với kích thƣớc 14 bp (ở các giống có gen ứng viên Pikp) và 190 bp (ở các giống có trình tự sai khác với trình tự gen Pikp). Sự dụng phƣơng pháp lai hồi giao, tiến hành tích hợp gen ứng viên pik-p vào giống BC5. [27]
Doãn Thị Hƣơng Giang và các cộng sự (2017) cũng đã ứng dụng chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC) đã đƣợc sử dụng để cải tiến giống lúa AS996 phổ biến thành giống lúa có thể chịu ngập mà vẫn duy trì các đặc tính ban đầu đang đƣợc nông dân và ngƣời tiêu dùng đón nhận. QTL chịu ngập Sub1 giữ vai trò tới 70% tính chịu ngập. Gen này đƣợc quy tụ vào giống AS996 bằng lai trở lại và hỗ trợ của chỉ thị phân tử. Nghiên cứu đã sử dụng 460 chỉ thị phân tử để đánh giá đa hình của bố mẹ. [28]