Chỉ thị phân tử là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu di truyền học, giúp xác định và phân tích các đặc điểm di truyền của sinh vật. Trong chọn, tạo giống thực vật, kỹ thuật này được sử dụng để phát hiện tính kháng bệnh, các đột biến gen,...

Quá trình phát triển của một số kỹ thuật chỉ thị phân tử

Chỉ thị phân tử (molecular marker), còn gọi là chỉ thị di truyền (genetic marker) ở thực vật là đoạn DNA ngắn có liên kết chặt chẽ với gen quy định một tính trạng cụ thể của cây trồng, tạo nên tính đặc trưng để phân biệt giữa các cá thể. Chỉ thị phân tử được sử dụng để nghiên cứu đa dạng di truyền, phát sinh loài, phân loại, đánh dấu và xác định gen, chọn lọc nguồn gen và chọn giống. Trong quá trình phát triển, nhiều công nghệ chỉ thị phân tử đã ra đời và được ứng dụng trong thực tế như: RFLP, RAPD, AP-PCR, SSR, STS, SNP,...

RFLP (Đa hình chiều dài đoạn giới hạn): là kỹ thuật dựa trên lai tạo, ra đời từ năm 1984, do Alec Jeffreys tìm ra trong quá trình nghiên cứu bệnh di truyền. RFLP sử dụng các enzyme endonuclease hạn chế đặc biệt để cắt tại vị trí cụ thể, tạo ra các đoạn có độ dài khác nhau. Chiều dài của các đoạn riêng biệt được xác định bằng phương pháp thấm (hiện nay sử dụng phương pháp giải trình tự). Các dấu hiệu RFLP phần lớn mang tính đặc hiệu theo từng vị trí và có bản chất đồng trội do bản chất của enzyme giới hạn endonuclease được sử dụng.

RAPD (DNA đa hình khuếch đại ngẫu nhiên): RAPD là một công cụ đơn giản dựa trên PCR, không yêu cầu giải trình tự trước DNA, được sử dụng để xác định biến thể di truyền. Kỹ thuật này sử dụng một đoạn mồi ngẫu nhiên duy nhất trong phản ứng PCR, dẫn đến sự khuếch đại của một số sản phẩm DNA riêng biệt. RAPD được phát triển độc lập từ hai phòng thí nghiệm khác nhau: Williams và cộng sự nghiên cứu và đặt tên RAPD vào năm 1990. Cùng thời gian này, Wales và McClelland cũng công bố với tên gọi AP-PCR (PCR mồi tùy ý).

SSR (Trình tự lặp lại đơn giản/Chỉ thị tiểu vệ tinh): phân tích kiểu gen SSR liên quan đến việc sử dụng các đoạn lặp lại trình tự đơn giản làm dấu hiệu DNA, được Litt và Luty đặt tên năm 1989. SSR là một loại trình tự DNA lặp lại phổ biến trong hầu hết các bộ gen thực vật, lần đầu tiên được Akkaya và cộng sự ứng dụng cho thực vật vào năm 1992. SSR chứa các đoạn lặp lại của một trình tự mô-típ dài 1-6 bp. Do cấu trúc này, SSR thường xuyên bị đột biến, chủ yếu là do lỗi DNA polymerase, liên quan đến việc thêm hoặc bớt một đơn vị lặp lại. SSR có tính đa hình cao, dễ sử dụng để phát hiện biến thể alen trong quần thể nên được xem như một công cụ đa năng trong các chương trình lai tạo thực vật, các nghiên cứu tiến hóa.

STS (Kỹ thuật xác định vị trí chuỗi đánh dấu): khái niệm STS được Olson và cộng sự giới thiệu năm 1989. Khi đánh giá tác động có thể có của PCR đối với nghiên cứu bộ gen người, các nhà nghiên cứu nhận ra rằng các trình tự DNA bản sao đơn lẻ có vị trí bản đồ đã biết có thể đóng vai trò là các dấu hiệu để lập bản đồ di truyền và vật lý của các gen dọc theo nhiễm sắc thể. Ưu điểm của STS so với các mốc lập bản đồ khác là phương tiện kiểm tra sự hiện diện của một STS cụ thể có thể mô tả hoàn toàn dưới dạng thông tin trong cơ sở dữ liệu: khi muốn tạo bản sao của dấu hiệu, chỉ cần tra cứu STS trong cơ sở dữ liệu, tổng hợp các đoạn mồi được chỉ định và chạy PCR trong các điều kiện được chỉ định để khuếch đại STS từ DNA bộ gen.

SNP (Chỉ thị đa hình các nucleotide đơn): SNP là công nghệ đánh dấu phân tử lần đầu tiên được Lander đề xuất vào năm 1996, đề cập đến một đa hình trình tự gây ra bởi một đột biến nucleotide đơn lẻ tại một vị trí cụ thể trong trình tự DNA. SNP là sự khác biệt trong trình tự DNA của chỉ một (hoặc đôi khi là một số lượng nhỏ) nucleotide. Khi những khác biệt này xảy ra trong một trình tự gen, chúng thường không trung tính về mặt kiểu hình, nhưng đôi khi chúng có thể liên quan đến sự thay đổi trong trình tự axit amin của gen. Phân tích kiểu gen SNP có thể tương đối đơn giản, nhưng việc phát hiện SNP thường đòi hỏi phải giải trình tự DNA mở rộng.

Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn, tạo giống cây trồng tại Việt Nam

Ở Việt Nam, kỹ thuật chỉ thị phân tử được bắt đầu ứng dụng từ cuối những năm 90, trong nghiên cứu đa dạng di truyền, lập bản đồ liên kết phân tử và chọn giống thực vật. Chỉ thị phân tử đã được ứng dụng trong phát triển các giống hoa (cẩm chướng, cúc, salem, lan huệ), cây lương thực (củ nâu, bắp nếp nù, khoai sọ, khoai lang Hoàng Long), cây ăn quả (mít), cây lấy gỗ (bạch đàn),… Gần đây nhất, “Nghiên cứu đánh giá và phát triển nguồn gen khoai môn sọ miền Bắc Việt Nam” vừa được TS. Nguyễn Xuân Viết và cộng sự (Trường Đại học Sư phạm Hà Nội) hoàn thành năm 2024, đã đánh giá và phát triển được một số nguồn gen khoai môn sọ có năng suất cao, chất lượng tốt, có giá trị kinh tế cao, phục vụ sản xuất hàng hóa tại một số tỉnh phía Bắc. Nhóm cũng đánh giá tiềm năng di truyền, xây dựng được bộ cơ sở dữ liệu nguồn gen khoai môn sọ miền Bắc Việt Nam về đặc điểm hình thái, nông học, tiềm năng năng suất và chất lượng củ, tính kháng bệnh cháy lá do nấm Phytophthora colocasiae và sự đa dạng di truyền ở mức DNA dựa trên kỹ thuật RAPD và SSR/ISSR. Nghiên cứu cung cấp khoảng 100 nguồn gen mẫu để bảo tồn. Khai thác và phát triển được 3 giống khoai môn sọ có tiềm năng năng suất cao/chất lượng tốt, có giá trị kinh tế cao, phục vụ sản xuất hàng hóa (năng suất và hiệu quả kinh tế tăng 10-15% so với sản xuất đại trà).

Tại TP.HCM, chỉ thị phân tử cũng đã được ứng dụng trên nhiều giống cây trồng. Một ví dụ điển hình như: “Nghiên cứu nhân giống vô tính cây insulin Ấn Độ (Costus sp) cho mục đích phòng trị bệnh tiểu đường” do ThS. Trần Hồng Anh và cộng sự (Chi nhánh Viện Ứng dụng Công nghệ tại TP.HCM) hoàn thành năm 2018. Các tác giả đã nhân giống cây insulin Ấn Độ bằng phương pháp nuôi cấy mô, đánh giá hàm lượng hoạt chất diosgenin trong lá cây insulin Ấn Độ. Trong quá trình nghiên cứu, các tác giả đã sử dụng kỹ thuật RAPD để khảo sát sự đa hình di truyền giữa cây mẹ và cây in vitro của cây insulin Ấn Độ. Cây insulin Ấn độ thuộc họ Costaceae được sử dụng rộng rãi ở Ấn Độ như một thảo dược có tính năng phòng trị bệnh tiểu đường. Việc sử dụng lá cây này được cho là làm giảm đường huyết và những bệnh nhân tiểu đường khi ăn lá cây này đều cho thấy biểu hiện giảm lượng đường trong máu. Do đó nghiên cứu trồng cây insulin tại Việt Nam mở ra hướng đi mới trong điều trị tiểu đường sử dụng nguyên liệu tự nhiên.

Nghiên cứu “Phân tích đa dạng di truyền các giống mít (Artocarpus heterophyllus) ở đồng bằng sông Cửu Long bằng chỉ thị phân tử” do ThS. Ngô Thị Kim Anh và cộng sự (Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ) thực hiện năm 2021, đã thu thập được 20 mẫu mít trong khu vực để tiến hành quy trình ly trích vật liệu di truyền (DNA), phân tích, đánh giá đa dạng di truyền của các mẫu mít bằng chỉ thị RAPD và ISSR. Nghiên cứu đã xác định được cấu trúc di truyền của quần thể mít ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long bằng chỉ thị phân tử, làm cơ sở để phân loại các giống mít phục vụ cho chọn giống, bảo tồn nguồn gen cây mít trên địa bàn.

Năm 2023, TS. Nguyễn Phương cùng các cộng sự (Trường Đại học Nông lâm TP.HCM) đã tiến hành nghiên cứu “Lai tạo và khảo nghiệm giống ngô đường (zea mays var Saccharata) phục vụ sản xuất khu vực Đông Nam Bộ”. Các nhà khoa học sử dụng kỹ thuật SSR để đánh giá đặc tính nông học và độ thuần của 8 dòng ngô đường ở thế hệ S7 nhằm chọn những cá thể trong dòng có độ đồng đều cao, khả năng sinh trưởng và phát triển tốt, năng suất ổn định, chất lượng ngon làm vật liệu lai tạo và xác định mức độ thuần về kiểu hình và kiểu gen của 8 dòng ngô đường ở thế hệ S7. Nhóm đã lai tạo được 28 tổ hợp lai giữa 8 dòng ngô đường ưu tú. Kết quả, giống BN191 đáp ứng điều kiện đăng ký công bố lưu hành cho vùng Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long theo tiêu chuẩn quốc gia và đủ điều kiện đăng ký bảo hộ giống. Giống ngô đường mới phù hợp ứng dụng phục vụ sản xuất trong nước, góp phần chủ động được nguồn giống sản xuất trong nước, tăng trưởng kinh tế.

Giống ngô đường BN191 (Nguồn:dost.hochiminhcity.gov.vn)

***

Chỉ thị phân tử là một công cụ mạnh, cung cấp những thông tin chính xác và chi tiết, hỗ trợ hiệu quả trong việc phát hiện, chẩn đoán, giám sát và phát triển các giải pháp mới trong nhiều lĩnh vực, như y học, nông nghiệp, môi trường,... Đối với ngành nông nghiệp, chỉ thị phân tử ngày càng có vai trò quan trọng trong việc cải thiện giống cây trồng, sàng lọc bệnh, phát triển các giống cây có năng suất và chất lượng tốt, chống chịu được các điều kiện môi trường khắc nghiệt, nên góp phần đảm bảo an ninh lương thực và bảo vệ môi trường. Tại Việt Nam, kỹ thuật này đã và đang được ứng dụng hiệu quả cho nhiều loài cây trồng để bảo lưu nguồn gen quý, nâng cao chất lượng giống và lai tạo giống mới,…

Minh Thư

----------------------------------------

Mời các bạn đón đọc tiếp "Ứng dụng công nghệ sinh học thực vật – Một số thành quả nghiên cứu và ứng dụng trong công tác đảm bảo an ninh lương thực" trong ấn phẩm Thông tin chuyên đề KH,CN&ĐMST số 04/2025.

----------------------------------------

Tài liệu tham khảo:

[1] Nguyễn Đức Thành. Viện Công nghệ sinh học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các kỹ thuật chỉ thị DNA trong nghiên cứu và chọn lọc thực vật
[2] Chu Đức Hà và các cộng sự. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong phân biệt các loài sâm trên thế giới. https://vjst.vn/vn/tin-tuc/1255/ung-dung-chi-thi-phan-tu-trong-phan-biet-cac-loai-sam-tren-the-gioi.aspx
[3] D. Datta et al. Indian Institute of Pulses Research. Molecular Markers in Crop Improvement. https://iipr.icar.gov.in/wp-content/themes/ICAR-wp/images/pdf/molecularbulletins2may13.pdf
[4] National Library of Medicine. Cleaved Amplified Polymorphic Sequences. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/probe/docs/techcaps
[5] Trần Hồ Quang, Trần Thanh Trang. Viện Khoa học Lâm nghiệp Việt Nam. Kết quả nghiên cứu ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống bạch đàn. https://vafs.gov.vn/wp-content/uploads/sites/2/2011/02/4Chi%20thi%20phan%20tu.pdf