Phát triển chỉ thị DNA mới hỗ trợ chọn tạo giống sắn kháng bệnh khảm lá

Tác giả: Hiroki Tokunaga, Phạm Thị Nhạn, Phạm Thị Hương, Nguyễn Hải Anh, Lê Thị Mai Hương, Trường Minh Hòa, Nguyễn Thị Huyền Trang, Nguyễn Bá Tùng, Cù Thị Lệ Thủy, Xiaofei Zhang, Motoaki Seki và Lê Huy Hàm

Sắn là cây trồng quan trọng tại nhiều quốc gia nhiệt đới, được sử dụng làm lương thực, thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu cho công nghiệp chế biến tinh bột, nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, sản xuất sắn đang chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của bệnh khảm lá sắn (Cassava Mosaic Disease - CMD), do virus gây ra. Tại Đông Nam Á, bệnh được ghi nhận lần đầu ở Campuchia năm 2015, sau đó lan sang Việt Nam và một số quốc gia lân cận. Triệu chứng bệnh là lá xuất hiện các mảng xanh vàng xen kẽ, biến dạng hoặc xoăn lại, ảnh hưởng đến khả năng quang hợp, sinh trưởng và năng suất củ. Việc sử dụng hom giống đã nhiễm bệnh cũng góp phần làm bệnh lan rộng giữa các vùng sản xuất. Một trong những giải pháp quan trọng để kiểm soát bệnh là phát triển và sử dụng giống sắn kháng bệnh. Các nguồn gen kháng bệnh có nguồn gốc từ châu Phi đã được đưa vào chương trình chọn tạo giống tại châu Á. Tuy nhiên, việc đánh giá khả năng kháng bệnh bằng cách trồng và quan sát triệu chứng trên đồng ruộng cần nhiều thời gian, công sức và chi phí. Trong bối cảnh đó, chỉ thị DNA có thể hỗ trợ nhà chọn giống nhận diện cây mang gen kháng bệnh ngay từ giai đoạn sớm, trước khi đầu tư nguồn lực cho các bước khảo nghiệm tiếp theo.

Đánh giá sàng lọc các dòng sắn kháng bệnh khảm lá trên đồng ruộng, Tây Ninh, 2024.

Nghiên cứu “Development of DNA markers for assisted selection of cassava resistant to cassava mosaic disease (CMD)” được công bố trên tạp chí Breeding Science năm 2025. Nhóm tác giả đến từ Nhật Bản, Việt Nam và các tổ chức nghiên cứu quốc tế đã phát triển các công cụ chỉ thị DNA nhằm xác định những đột biến liên quan đến khả năng kháng bệnh khảm lá sắn. Nghiên cứu tập trung vào gen MePOLD1, mã hóa một tiểu đơn vị của enzyme DNA polymerase δ, có vai trò trong quá trình nhân bản DNA. Các nghiên cứu trước đó đã xác định rằng những biến đổi nhất định trong gen này có liên quan đến kiểu kháng bệnh CMD2. Cụ thể, nhóm nghiên cứu khảo sát ba dạng thay đổi amino acid gồm V528L, G680V và L685F. Trong các nguồn gen kháng bệnh được nghiên cứu, nhóm tác giả xác định được các đột biến G680V và L685F, trong khi không phát hiện đột biến V528L ở các vật liệu khảo sát. Từ những kết quả này, nhóm đã phát triển các chỉ thị DNA có khả năng nhận diện hai đột biến G680V và L685F. Mục tiêu là giúp phân biệt vật liệu mang biến đổi liên quan đến kháng bệnh với vật liệu không mang biến đổi đó, qua đó hỗ trợ quá trình chọn lọc trong chương trình lai tạo giống.

Phương pháp dCAPS sử dụng phản ứng PCR kết hợp với enzyme cắt giới hạn để nhận diện sự khác biệt về trình tự DNA. Khi có đột biến mục tiêu, sản phẩm PCR sẽ có đặc điểm cắt enzyme khác với trình tự thông thường. Sự khác biệt này được quan sát thông qua điện di trên gel agarose. Ưu điểm của dCAPS là không đòi hỏi thiết bị đọc tín hiệu huỳnh quang chuyên dụng, do đó có tiềm năng ứng dụng tại các phòng thí nghiệm có quy mô vừa và nhỏ. Tuy nhiên, phương pháp vẫn cần các bước xử lý mẫu, cắt enzyme và phân tích sản phẩm PCR. Trong khi đó, KASP là phương pháp định kiểu gen dựa trên tín hiệu huỳnh quang, cho phép phân biệt các kiểu gen thông qua sự khác nhau của tín hiệu phát hiện. Phương pháp này có thể giảm số bước thao tác và hạn chế sai sót của người thực hiện, đặc biệt hữu ích khi cần sàng lọc số lượng lớn mẫu trong các chương trình chọn tạo giống quy mô lớn. Kết quả cho thấy KASP hoạt động hiệu quả trong việc xác định đột biến G680V. Tuy nhiên, phương pháp KASP được thiết kế trong nghiên cứu chưa phân biệt được các kiểu gen mang đột biến L685F một cách đáng tin cậy. Điều này cho thấy mỗi chỉ thị cần được thiết kế, tối ưu hóa và kiểm chứng riêng trước khi đưa vào ứng dụng thực tế.

Xác định đột biến liên quan đến tính kháng bệnh khảm lá sắn bằng chỉ thị DNA: Phương pháp dCAPS (trái) và  phương pháp KASP (phải).

Để đánh giá giá trị của các chỉ thị DNA, nhóm nghiên cứu tiến hành khảo nghiệm các dòng sắn trong điều kiện đồng ruộng có áp lực bệnh khảm lá cao tại Việt Nam. Mức độ bệnh được đánh giá bằng thang điểm từ 1 đến 5, trong đó điểm 1 tương ứng với cây không biểu hiện triệu chứng và điểm 5 là cây có triệu chứng bệnh nghiêm trọng. Ở nhóm con lai giữa dòng kháng bệnh C-33 và các giống sắn ưu tú châu Á, cả 7 dòng mang đột biến G680V được khảo sát đều không biểu hiện triệu chứng bệnh tại thời điểm đánh giá. Ngược lại, 11 trong số 13 dòng không mang đột biến này có triệu chứng bệnh. Kết quả tiếp tục được kiểm tra trên 40 dòng sắn có nguồn gốc từ chương trình chọn tạo giống của Trung tâm Nông nghiệp Nhiệt đới Quốc tế (CIAT). Trong 22 dòng mang đột biến G680V, có 17 dòng không biểu hiện triệu chứng bệnh và 5 dòng biểu hiện triệu chứng nhẹ. Trong số 18 dòng không mang đột biến, 15 dòng có triệu chứng bệnh, còn 3 dòng không biểu hiện triệu chứng tại thời điểm đánh giá. Những kết quả này cho thấy chỉ thị nhận diện đột biến G680V có khả năng hỗ trợ phân biệt các nhóm vật liệu có mức độ phản ứng khác nhau đối với bệnh khảm lá trong các quần thể nghiên cứu. Tuy nhiên, kết quả cũng cho thấy sự hiện diện của đột biến không đồng nghĩa với việc mọi cây đều hoàn toàn không có triệu chứng trong mọi điều kiện. Nghiên cứu đồng thời so sánh các chỉ thị SNP thường được sử dụng trước đây, như S12_7926132. Kết quả cho thấy các chỉ thị SNP này không phải lúc nào cũng dự đoán chính xác khả năng kháng bệnh trong những quần thể có nền di truyền khác nhau. Vì vậy, các chỉ thị nhận diện trực tiếp đột biến trong gen MePOLD1 có tiềm năng cải thiện hiệu quả chọn lọc trong những quần thể vật liệu phù hợp.

Nghiên cứu cung cấp thêm công cụ công nghệ sinh học phục vụ chọn tạo giống sắn kháng bệnh khảm lá. Việc nhận diện sớm các dòng mang đột biến liên quan đến kháng bệnh có thể giúp giảm số lượng vật liệu cần đưa ra đồng ruộng để đánh giá, tiết kiệm thời gian và nguồn lực trong quá trình chọn giống. Hai phương pháp dCAPS và KASP có những ưu điểm khác nhau, phù hợp với điều kiện và quy mô phòng thí nghiệm khác nhau. dCAPS có tiềm năng sử dụng tại các phòng thí nghiệm có trang thiết bị cơ bản, trong khi KASP phù hợp hơn với nhu cầu phân tích số lượng mẫu lớn khi đã được thiết lập và kiểm chứng đầy đủ. Đối với các chương trình chọn tạo giống sắn tại Việt Nam, những công cụ này có thể được nghiên cứu ứng dụng để hỗ trợ sàng lọc vật liệu lai, đặc biệt khi kết hợp nguồn gen kháng bệnh với các giống có năng suất củ và hàm lượng tinh bột cao. Đây là yêu cầu quan trọng nhằm tạo ra giống vừa có khả năng kháng bệnh, vừa đáp ứng nhu cầu sản xuất và chế biến công nghiệp. Tuy nhiên, chỉ thị DNA không thể thay thế hoàn toàn việc đánh giá đồng ruộng. Khả năng kháng bệnh, mức độ biểu hiện triệu chứng và đặc điểm nông học cần tiếp tục được kiểm chứng qua nhiều vụ, nhiều địa điểm và các điều kiện gây nhiễm phù hợp. Bên cạnh đó, cần đánh giá ảnh hưởng tiềm tàng của các đột biến trong gen MePOLD1 đối với sinh trưởng, năng suất và các đặc tính nông học khác. Nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng không nên phụ thuộc hoàn toàn vào một nguồn gen kháng bệnh duy nhất. Việc tiếp tục tìm kiếm và khai thác các nguồn gen kháng bệnh khác nhau sẽ góp phần xây dựng nền tảng di truyền đa dạng hơn cho các chương trình chọn tạo giống sắn bền vững.

Nguyễn Ngọc Hùng theo Breeding Science.