1.4. Tổng quan về chọn tạo giống nhờ ứng dụng của chỉ thị phân tử
1.4.1. Nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống cây trồng
Một số tiến bộ về ứng dụng MAS đã được thực hiện tại Viện nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI), các nhà khoa học đã chuyển các QTL/gen kháng vào các nền di truyền của giống ưu tú . Số lượng QTL liên quan đến tính chịu hạn ở lúa mạch đã được lập bản đồ, bao gồm một số tính trạng sinh lý, sinh hóa chẳng hạn như khả năng điều chỉnh thẩm thấu, hàm lượng proline, khí khổng dẫn, hay carbonhydrate bão hòa trong nước... Hàm lượng ABA và các tính trạng hình thái khác.
Mặc dù các nghiên cứu truyền thống và ứng dụng chỉ thị phân tử được thực hiện ở cây cà chua, tuy nhiên cho đến này vẫn chưa có công bố nào về giống cà chua chịu hạn và chịu mặn được phóng thích. Các nỗ lực chọn tạo giống kháng ở khoai tây bởi chuyển một số gen như osmotin –giống như protein, GPD và protein tổng hợp trehalose đã không thực hiện thành công, và lập bản đồ QTL cho tính kháng mặn ở cây bông thì rất phức tạp và chậm tiến độ thực hiện. Ngoài ra, MAS được sử dụng chọn lọc các giống bán hữu hạn (self-pruning) ( hữu hạn/
vô hạn/determinant vs.indeterminant). Các gen đột biến làm chậm quá trình sinh trưởng (rin hoặc nor) được chuyển vào một số giống địa phương. Các gen liên
24
quan đến hiện tượng rụng quả JOINTLESS-2 đã được sử dụng để lựa chọn loại bỏ các giống hiệu quả thấp. Tiếp theo là một số ứng dụng MAS đối với một số cây trồng khác nhau: Ở cà chua, Bai và Lindhout, (2007) đã tổng quan các kỹ thuật, phương pháp ứng dụng trong chọn tạo giống cà chua. Ứng dụng nổi bật của MAS trong chọn tạo giống cà chua là chuyển một số gen kháng sâu và bệnh hại hạn như vi khuẩn gây héo (bacterial canker), Fusarium wilt, vi rút khảm thuốc lá và Verticillium wilt. Ngoài ra Krieger và cs, (2010) cho thấy gen SFT liên quan đến năng suất cà chua.
Các nỗ lực tìm kiếm các chỉ thị liên quan đến mầu quả, vị và chất lượng của cây trồng đang được tiếp tục nghiên cứu thực hiện. Tuy nhiên, điều khó khăn là các nhân tố môi trường như ánh sáng, nhiệt độ có xu hướng ảnh hưởng đến mầu sắc, do đó các cây trồng mang gen lycopen cyclase (tạo ra beta carotene từ lycopene) thay đổi về màu sắc, liên quan đến chất lượng quả, locut chính Fgr đã được lập bản đồ trên NST số 4, trong khi đó locut thứ hai trên NST số 6 gần locutFK2 và hexokinase. Hai locut cho thấy mối quan tương quan át gen, với FK2had tăng Fgr hơn chỉ hiện diện trong alen các loài hoang dại cho Fgr. Một gen khác được chứng minh là hữu dụng cho tăng Brix mà không cần giảm các thông số năng suất là AGPase-LS1.
MAS được ứng dụng hiệu quả hơn trong chọn giống khởi đầu dựa trên cơ sở thông tin từ ILs, có thể tạo những giống mang các đoạn nhiễm sắc cụ thể đã được biết có các alen chính liên quan đến các tính trạng số lượng như hàm lượng đường (Brix) và năng xuất.
Ở cây hạt tiêu, MAS đã được ứng dụng để chuyển gen kháng tobamo-vi rút, vi rút đốm héo, bệnh tuyến trùng vùng rễ. Ngoài ra, có một số chỉ thị liên quan đến mầu sắc quả (vàng, đỏ và tím) và tính trạng nứt trái.
25
Ở lúa, IRRI đã thành công trong việc phát triển một số giống lúa chịu ngập sử dụng locutSub1. Hai giống cải tiến mang gen Sub1 đã được phóng thích gần đây. MAS được ứng dụng nhằm giảm số lần lai trở lại (BC) (hai đến ba thế hệ) và giảm bớt các liên kết kéo theo. Giống cải tiến “Swarna-Sub1” được trồng ở Ấn độ và Bangladesh, giống IR64-Sub1 được trồng ở những vùng thường bị ảnh hưởng ngập lụt ở Philipin và Indonesia. Tiến sỹ Varshney (IRRI) và ICRISAT đã công bố rằng đang thực hiện chuyển một QTL chính kiểm soát 30% biến dị kiểu hình rễ ở đậu Hà lan (Chickpea). Tiến sỹ Xu (CIMMYT) cũng công bố đã xác định được locut chịu hạn
1.4.1.2. Ứng dụng chọn giống nhờ chỉ thị phân tử và lai trở lại (MABC)[4]
Thành công trong việc kết hợp MABC như một phương pháp chọn giống là nằm trong việc xác định tình huống mà trong đó ứng dụng chị thị là bước tiến bộ đáng chú ý so với phương pháp lai trở lại truyền thống hoặc những đóng góp có giá trị đối với các nỗ lực chọn giống truyền thống. Ứng dụng MABC là rất cần thiết và có lợi khi:
1. Khó khăn trong việc đánh giá kiểu hình và/ hoặc tốn kém hoặc không thể thực hiện.
2. Tính chất di truyền của tính trạng mục tiêu thấp
3. Tính trạng nghiên cứu thể hiện trong giai đoạn sau phát triển và sinh trưởng của cây trồng, chẳng hạn như hoa, quả, hạt…
4. Các tính trạng nghiên cứu được quy định bởi nhiều gen mà cần các điều kiện đặc biệt để biểu hiện
5. Các tính trạng nghiên cứu được kiểm soát bởi các gen lặn và;
6. Quy tụ gen cần thiết cho một hoặc nhiều tính trạng
Trong số các phương pháp chọn giống phân tử, MABC được ứng dụng rộng rãi và được coi là thành công nhất trong chọn giống cây trồng hiện đại. MABC được sử dụng cho nhiều tính trạng khác nhau (ví dụ, tính kháng sâu bệnh, tính
26
chống chịu và chất lượng…) đã được thực hiện ở nhiều loại cây trồng chẳng hạn như lúa, lúa mỳ, ngô, lúa mạch, kê, đậu tương và cà chua.
Ở ngô, Bacillus thuringiens là một loại vi khuẩn sản xuất ra độc tố diệt côn trùng, có thể tiêu diệt ấu trùng đục thân ngô khi sử dụng tiêu thụ các độc tố trong tế bào (Ragot và cs, 1995). Sự tích hợp của gen chuyển Bt vào nhiều nền di truyền khác nhau ở ngô đã đạt được kết quả bằng việc ứngdụng MABC.
Ở cà chua, Tanksley và Nelson (1996) đãđề xuất một chiến lược MABC, được gọi là lai trở lại QTL cải tiến (AB-QTL), để chuyển các gen kháng từ loài hoang dạivào nguồn giống ưu tú. Chiến lược này đã chứng minh hiệu quả cho nhiều đăc tính nông sinh học quan trọng, bao gồm cả chất lượng quả và kháng nấm mốc (Tanksley và Nelson, 1996; Bernacchi và cs, 1998; Fulton và cs, 2002). AB-QTL được sử dụng cho nhiều loại cây trồng khác chẳng hạn như lúa, lúa mạch, lúa mỳ, ngô, bông và đậu tương. AB-QTL thể hiện hiệu quả trong việc chuyển các alen mong muốn vào từ loài hoang dại vào nguồn vật liệu ưu tú.
Ở lúa mạch, một chỉ thị liên kết (0.7cM) với gen Yd2 kháng vi rút vàng lùn đã được ứng dụng thành công bằng phương pháp MABC(Jefferies và cs, 2003). So với các dòng không sử dụng chỉ thị, BC2F2 dòng có nguồn gốc mang chỉ thị liên kết biểu hiện triệu chứng vàng lá nhẹ hơn và năng xuất cao hơn khi bị nhiễm vi rút. Tương tự ở ngô, sử dụng chỉ thị kết hợp lai trở lạicũng được ứng dụng thành công để cải tiến các tính trạng phức hợp chẳng hạn như năng suất. Sử dụng MABC, 6 phân đoạn NST của 2 dòng ưu tú, T x 303 và Oh43 được chuyển vào hai dòng bố được trồng rộng rãi, B73 và Mo17, thông qua 3 thế hệ lai trở lại, và cho tự thụ ở hai thế hệ tiếp theo. Dòng cải tiến này có năng suất cao hơn được chon lọc dựa trên các đánh giá ban đầu của các con lai. Lai đơn giữa giống B73 x Mo17 cho năng suất cao hơn giống đối chứng từ 12-15%. Zhao và cs (2012) công bố rằng một locut tính trạng định lượng chính (có tên qHSR1) kháng bệnh than đầu bắp ở ngô đã được chuyển thành công vào 10 giống năng
27
suất (giống này trước đây mẫn cảm với bệnh), các dòng được lai với cây cho gen Ji 1037 có qHSR1 thể hiện khả năng kháng toàn diện bệnh than đầu bắp, tiếp theo là thực hiện lai trở lại 5 thế hệ với cây nhận gen. Trong thế hệ BC1 đến BC3
chỉ chọn lọc kiểu hình được thực hiện để xác định các cá thể kháng bệnh cao sau khi gây nhiễm nhân tạo. Chọn lọc kiểu hình thế hệ BC4, chọn lọc gen mục tiêu, và chọn lọc tái tổ hợp được thực hiện để sàng lọc các cá thể kháng với vùng gen liên kết với qHSP1 của cây cho gen. Trong thế hệ BC5, chọn lọc kiểu hình, chọn lọc gen mục tiêu và chọn lọc nền di truyền được thực hiện để xác định các cá thể có gen kháng với tỷ lệ genom giống cây nhận cao nhất, tiếp theo một thế hệ tự thụ để thu được kiểu gen đồng hợp tử tại locut qHSP1. Mười dòng cải tiến có nguồn gốc tử các dòng này cho thấy tăng khả năng kháng bệnh đáng kể. Semagn và cs (2006) đã tổng quan chi tiết về tiến trình và triển vọng của MABC trong chọn giống cây trồng.