a) Đặc điểm nguồn gen hoang dại
Nguồn gen hoang dại và họ hàng hoang dại của cây trồng có những đặc điểm và tính trạng quý như khả năng chống chịu điều kiện bất thuận, sâu bệnh và một số có chất lượng tốt và sản phẩm chứa các hợp chất hữu cơ đặc thù được sử dụng cho những mục đích làm thuốc hay chế biến. Nhận biết các tính trạng và allel có lợi sử dụng trực tiếp hoặc làm vật liệu cho chọn tạo giống cây trồng là cần thiết. Tóm lại những đặc điểm quan trọng của nguồn gen hoang dại là:
+ Khả năng thích nghi rất cao mà cây trồng không có được + Sinh trưởng, phát triển mạnh
+ Chống chịu tốt với dịch dại, cỏ dại, sâu bệnh + Số lượng biến dị lớn
+ Một số loài tích lũy các hợp chất hữu cơ hiếm sử dụng cho làm thuốc + Nguồn gen hoang dại thường có năng suất thấp
+ Sản phẩm của đa số nguồn gen hoang dại không có khả năng sử dụng trực tiếp + Hạt có ngủ nghỉ và bảo thủ di truyền cao
b)Sử dụng nguồn gen hoang dại
Nguồn hang dại tự nhiên và họ hang hoang dại của cây trồng có nhiều loài đa bội đa bội như chuối, mía và cam quýt… không chỉ được sử dụng để phân loại mà còn được sử dụng tái tổ hợp tạo các giống cây trồng đa bội ở các mức đa bội khác nhau ví dụ các giống chuối
AAA và AAB
Nguồn gen hoang dại có tầm quan trọng đặc biệt đã thu hút các nước và các Trung tâm nghiên cứu thu thập, bảo tồn và sử dụng ngày một rộng rãi. Theo báo báo của IRRI năm 2000 Viện nghiên cứu lúa Quốc tế nhận được 700 mẫu giống nguồn gen lúa (O. sativa) trong đó 84 mẫu lúa hoang dại, đưa tổng mẫu nguồn gen lúa bảo tồn tại IRRI lên 24.700 mẫu trong đó có 2400 mẫu giống lúa hoang dại thu thập từ 22 nước Châu Á . Hàng năm IRRI cung cấp các mẫu nguồn gen, trong đó có nguồn gen lúa dại đến các quốc gia cho các chương trình tạo giống thu được những thành công rất lớn. Năm 1999 Việt Nam nhận 17 mẫu nguồn gen cho lai và đã có 20 dòng mới được đưa vào khảo nghiệm Quốc gia.
Trung Quốc đã có những dự án thu thập, bảo tồn và sử dụng nguồn gen lúa dại nhằm đánh giá nhận biết tiềm năng nguồn gen lúa dại về năng suất, chất lượng, chống chịu…dựa trên di truyền phân tử phục vụ cho các chương trình tạo giống lúa của Trung Quốc.
Khoai tây hoang dại được thu thập và bảo tồn 11.845 mẫu nguồn gen khoai tây hoang dại từ 6 nước phục vụ bảo tồn, nghiên cứu và sử dụng chọn tạo giống khoai tây cho hệ thống sinh thái sản xuất khoai tây khác nhau ở Châu Âu, đặc biệt là chống chịu lạnh và sương muối. Theo nghiên cứu của Vega, S.E. và cộng sự những giống khoai tây cải tiến khả năng chống chịu sương muối kém nhưng một số loài họ hoàng hoang dại của nó có khả năng chống chịu với sương muối và chịu lạnh có thể sử dụng trong các chương trình tạo giống
Sử dụng nguồn gen hoang dại có những hướng chủ yếu là :(1) sử dụng trực tiếp cho sản xuất hoặc khi có nhu cầu mới của con người (2) sử dụng để lai chuyển gen cho những tính trạng đặc biệt; (3) Sử dụng làm vật liệu nghiên cứu di truyền hoặc nghiên cứu đa dạng sinh học
Sử dụng trực tiếp : Rất nhiều cây hoang dại được sử dụng trực tiếp, nhiều nhất là các cây thuốc, các cây gia vị như cây Ác ti sô (Cynara scolymus L.), cây bạc hà mọc hoang dại (Mentlia arvensis L.), cây củ mài ( Dioscorea persimilis Prain et Burkill), cây dành dành (Gardenia jasminoides Ellis) vừa là cây làm thuốc vừa là cây cho phẩm màu trong chế biến thực phẩm, cây diếp cá (Houttuynia cordata Thumb.) vừa là cây rau nhưng có tác dụng làm thuốc, cây húng chanh (Coleus amboinicus Lour.), hương nhu ( Ocimum sanctum L.). Tuy nhiên do khai thác quá mức mà những nguồn gen hoang dại này bị cạn kiệt, vì thế bảo tồn cho sử dụng bền vững nguồn gen hoang dại đang được quan tâm trên toàn cầu.
Sử dụng cho lai chuyển gen, đặc biệt là các gen chống chịu và chất lượng đặc thù. Khi lai chuyển gen với cây trồng thường gặp khó khăn do lai xa do sai khác về di truyền và sinh lý giữa hai bố mẹ. Ngày nay do công nghệ sinh học phát triển có thể khắc phục bằng cứu phôi. Phôi không có sức sống trên cây được tách và đưa vào nuôi cấy trong môi trường phù hợp. Ví dụ lai cà chua trồng (Lycopersicon esculentum) với cà chua dại (L. Perruvianum),
(Thomas Pratt,1981). Lai cây cỏ linh lăng (cỏ họ đậu làm thức ăn gia súc) Medicago sativa
với M. rupestris của (McCoy, 1985).
Ưu thế lai cũng đã nhận được khi lai lạc, loài Arachis hypogaea và các loài tự bất hợp là A. paraguariensis và A. appressipila cả hai đều chống được bệnh đốm lá thông qua sử dụng cứu phối thành công ( Rao và cộng sự,2003). Lai cây cải dầu ( Brassica napus ) và cây hạt cải trắng (Sinapsis alba ); thu được nhiều tính trạng mong muốn như chống chịu những sâu hại chủ yếu của các cây họ cải (Brasicca), chống chịu nhiệt độ cao và khô hạn bên cạnh chống chịu tách quả ( Brown và cộng sự, 1997, Momotaz và cs, 1998).
Nuôi cấy phôi đã chứng minh là một công cụ hữu ích khắc phục tự bất hợp giao tử trong các loài phụ khác nhau. Gần đây chuyển gen chống bệnh thối nhũn khoai tây dại (Solanum pinnatisectum ) vào khoai tây trồng (Solanum tuberosum ) thành công khi thực hiện lai và cứu phôi (Ramon và hanneman,2002)
Sử dụng các tính trạng đặc biệt của nguồn gen hoang dại trong các chương trình tạo giống cây trồng như tính trạng bất dục đực CMS, TGMS và PGMS ở các loài hoang dại được chuyển vào cây trồng phục vụ phát triển giống ưu thế lai như bất dục hoang dại ở lúa. WA được sử dụng trong tạo giống lúa lai 3 dòng, ba dạng bất dục CMS ở ngô được tìm thấy trong tự nhiên là T, C và S, dạng bất dục T được sử dụng tạo ra khoảng 70% giống ngô lai ở Mỹ đến những năm 1970
Khushvà Brar, 2002 cho biết các loài lúa hoang dại là một nguồn dự trữ quan trọng những gen có lợi cho chống chịu sâu, bệnh, điều kiện bất thuận sinh học và phi sinh học. Các loài dại cũng là nguồn dự trữ gen bất dục đực tế bào chất (CMS). Mặc dù vậy, cũng có những khó khăn khi chuyển các gen này từ lúa dại vào lúa trồng (Brar và Khush, 1997), một trong những khó khăn là khó lai do sai khác về số nhiễm sắc thể và gen. Công cụ công nghệ sinh học như cứu phôi và lai tế bào trần đã vượt qua được những khó khăn này. Kỹ
thuật phân tử ngày nay có thể xác định chính xác gen và chuyển gen vào lúa trồng, những thành công như minh họa trong bảng 5-5
Bảng 5-5: Kết quả chuyển gen từ loài lúa dại Oryza vào lúa trồng
Loài Donor Oryza Tính trạng
Loài dại Genome Mẫu nguồn gen số
A. Đã chuyển vào Oryza sativa
Bệnh còi cọc O. nivara AA 101508 O. longistaminata AA - O. officinalis CC 100896 O. minuta BBCC 101141 O. latifolia CCDD 100914 O. australiensis EE 100882 Benẹh bạc lá O. brachyantha FF 101232 Bệnh đạo ôn O. minuta BBCC 101141 O. officinalis CC 100896 O. minuta BBCC 101141 O. latifolia CCDD 100914 Chống chịu rầy nâu O. australiensis EE 100882 Chống chịu rầy lưng trắng O. officinalis CC 100896 O. sativaf.spontanea AA - O. perennis AA 104823 Bât dục đực CMS O. glumaepatula AA 100969 O. rufipogon AA 105908 Chống bệnh tungro O. rufipogon AA 105909 B. Đánh giá xác đinh gen chống chịu
Sâu đục thân O. longistaminata AA -
Bệnh khô vằn O. minuta BBCC 101141
Khả năng kéo dài lóng O. rufipogon AA CB751 Chống chịu chua phèn O. glaberrima AA many Cạnh tranh với cỏ dại O. glaberrima AA many
Source: Brar và Khush, 2002 (cải tiến).
Theo Khush lai giữa lúa trồng và lúa dại có bộ gen AA có thể thực hiện bằng phương pháp lai bình thường, lai giữa lúa trồng và các loài họ hàng hoang dại thường rất khó do không có khả năng lai tạo phôi bình thường, trường hợp này phải thực hiện cứu phôi để lai giữa các dòng ưu tú hoặc giống với mẫu nguồn gen hoang dại có bộ genome BBCC, CC, CCDD, EE, FF, GG, HHJJ và HHKK thành công. Một số gen kháng bệnh đã chuyển vào lúa trồng thành công như gen kháng virus vàng lùn từ loài O. nivara vào các giống IR 28, IR 29 , IR 30, IR 32, IR 34 và IR 36.
Lúa dại có bộ genome AA là nguồn bất dục đực CMS quan trọng, đã được sử dụng tạo các giốg lúa lai thương mại. Lin và Yuan (1980) đã công bố sử dụng dòng bất dục đực CMS hoang dại (O. sativa L. f. spontanea) chứa gen bất dục WA (wild abortive), khoảng 95% dòng bất dục thương mại CMS ở Trung Quốc sử dụng nguồn bất dục này. Gần đây còn phát
hiện nguồn bất dục CMS mới của loài dại O. perennis và đãchuyển gen này thành công vào lúa indica (Dalmacio và cs, 1995) tạo ra dòng bất dục mới IR66707A
Bảng 5-6 : Ví dụđã chuyển một số gen quan trọng vào lúa trồng
Gen chuyển Phương pháp chuyển Tính trạng có lợi Tài liệu tham khảo
bar Vi tiêm, bắn gen
(microprojectile/bombardment)
Chống chịu thuốc trừ cỏ Cao et al., 1992
bar PEG Chống chịu thuốc trừ cỏ Datta et al., 1992 Coat protein Chích điện
(Electroporation)
Chống chịu virus sọc Hayakawa et al., 1992
Coat protein Bắn hạt Chống chịu virus tungro Sivamani et al., 1999 Chitinase PEG-mediated Chống chịu khô van Lin et al., 1995; Datta et
al., 2001 cryIA(b) Chích điện (Electroporation) Chống chịu sâu đục thân Fujimoto et al., 1993
cryIA(b) Bắn hạt Chống chịu sâu đục
thân
Wunn et al., 1996;
Ghareyazie et al., 1997
cryIA(c) Bắn hạt Chống chịu sâu đục
thân Nayak et al., 1997 cry1A(b), cryIA(c) Vi khuẩn Agrobacterium Chống chịu sâu đục thân Cheng et al., 1998 cry1A(b), cryIA(c) Bắn hạt Chống chịu sâu đục thân Tu et al., 2000 cry1A(c), cry2A, gna Bắn hạt Chống chịu sâu đục thân, cuốn lá và rầy nâu
Maqbool et al., 1998,
2001
CpTi PEG-mediated Chống chịu sâu đục thân
Xu et al., 1996
gna Bắn hạt Hoạt động trừ sâu đục thân Rao et al., 1998 Corn cystatin (CC) Chích điện (Electroporation) Hoạt động trừ sâu Sitophilus zeamais Irie et al., 1996
Xa21 Bắn hạt Chống bệnh bác lá Tu et al., 1998; Zhang et
al., 1998 codA Chích điện
(Electroporation)
Tăng khả năng chịu măn
Sakamoto and Murata, 1998 Soybean ferritin Vi khuẩn Agrobacterium Tăng hàm lượng sắt trong hạt
Goto et al., 1999; Lucca et al., 2001
psy Bắn hạt Tích lũy Phytoene trong nội nhũ
Burkhardt et al., 1997
psy, crt1, lcy Vi khuẩn
Agrobacterium
Tích lũy tiền vitamin A Ye et al., 2000
Source: Khush and Brar, 2002 (modified).
Nguồn gen hoang dại được sử dụng trong nghiên cứu di truyền, đa dang sinh học: ngày nay nhiều nghiên cứu sử dụng maker phân tử để nhận biết các tính trạng di truyền ở các loài hoang dại phục vụ cho chuyển gen vào cây trồng, nhận biết mức độ đa dạng di truyền. Mía
trồng có một cấu trúc genome phức tạp do chúng được lai giữa hai loài S. officinarum và loài dại S. spontaneum. Sự lai đó đã tạo ra hàng trăm NST trong đó gần 20 NTS của loài dại góp phần tăng sức sống, khả năng chống chịu bất thuận và chống chịu bệnh. Nhưng chúng tạo khó khăn cho các nhà tạo giống nghiên cứu di truyền, nhờ di truyền phân tử đã nhận biết được sự đóng góp của các loài dại vào các tính trạng mục tiêu