Xây dựng cơ sở dữ liệu các gen liên quan đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng ở Ngô Việt Nam

Ngô (Zea mays L.) là cây nông nghiệp một lá mầm thuộc chi Zea, họ hòa thảo (Poaceae hay còn gọi là Gramineae). Ngô có nguồn gốc từ teosinte hoặc một số loài hoang dại rất gần với teosinte, được thuần hóa từ Nam và Tây nam của Mexico (Wilkes, 2004; Sluyter và Dominguez, 2006). Hiện nay Trung tâm Nghiên cứu quốc tế về cải tiến ngô và lúa mỳ (CIMMYT) đang lưu giữ 27,000 mẫu nguồn gen trên tổng số 47,000 nguồn gen ngô đang được lưu giữ tại các ngân hàng gen trên toàn thế giới (Taba, 2005). Phần lớn các mẫu nguồn gen đang được lưu giữ là các giống ngô bản địa bao gồm Teosinte và Trispsacum. Ngô trồng được thuần hóa hiện nay được chia thành khoảng 300 nhóm giống bản địa (landraces) (Goodman và Brown, 1988). Ngô thương mại hiện đại diện cho chỉ một phần nhỏ trong số 300 nhóm giống ngô bản địa. Rất ít các giống bản địa được thương mại hóa, có thể chỉ đại diện cho từ 5 đến 10% các giống bản địa của Tân thế giới, là tổ tiên của số lượng lớn các nguồn gen ngô được phân bố rộng ở châu lục cũ.

Giá trị dinh dưỡng của Ngô trong hạt ngô bao gồm 70-75% đường, tinh bột, 8-10% protein và 4-5% tinh dầu. Hàm lượng tiền vitamin A và các axit amin thiết yếu như lyzin và tryptopan cũng là những đặc tính dinh dưỡng quan trọng cần hướng tới trong các chương trình chọn tạo giống ngô dinh dưỡng. Các đặc tính liên quan tới giá trị dinh dưỡng của ngô này được thể hiện thông qua các biến dị di truyền tự nhiên sẵn có. Xác định và điều khiển được các gen quan trọng này sẽ mở ra hướng mới thiết kế các tổ hợp biến dị quan trọng làm thay đổi giá trị dinh dưỡng của ngô, hướng đến mục tiêu chọn tạo giống ngô có hàm lượng dinh dưỡng cao, dễ tiêu hóa, đáp ứng được nhu cầu trong tương lai.

Tuy nhiên, sự quan tâm về tập đoàn ngô địa phương chỉ mới dừng ở mức độ thu thập và lưu giữ tại Ngân hàng gen cây trồng quốc gia. Trung tâm Trung tâm Tài nguyên thực vật thuộc Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Việt Nam đã và đang lưu giữ hàng ngàn nguồn gen ngô địa phương với các thông tin kiến thức bản địa được thu thập. Nhưng các nghiên cứu đánh giá chuyên sâu về các đặc tính có tầm quan trọng kinh tế nói chung và tính trạng chất lượng nói chung chưa được thực hiện trên tập đoàn ngô địa phương. Vì vậy, dữ liệu này chưa có nhiều ý nghĩa đáng có trong khai thác và sử dụng đối với các nhà chọn tạo giống.

Xuất phát từ thực tiễn trên, đề tài “Xây dựng cơ sở dữ liệu các gen liên quan đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng ở Ngô Việt Nam”, do TS. Trần Thị Thu Hoài làm Chủ nhiệm, Trung tâm Tài nguyên thực vật chủ trì, đã được thực hiện với mục tiêu: Xây dựng được cơ sở dữ liệu các gen liên quan đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng chủ yếu có giá trị của tập đoàn ngô Việt Nam phục vụ công tác chọn tạo giống ngô lai chất lượng cao.

Nghiên cứu về các đột biến ngô đã giúp làm sáng tỏ các gen chính tham gia vào quá trình tổng hợp tinh bột. Trong một nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2020) đã xác định được một đột biến allelic mới của sh1 được tạo ra bởi tác nhân gây đột biến gen ethyl methanesulfonate (EMS), được gọi là sh1 *. Các đột biến sh1 làm mất hơn 90% hoạt động tổng hợp sucrose trong nội nhũ sh1 *, dẫn đến giảm đáng kể hàm lượng tinh bột trong khi lượng đường hòa tan tăng đáng kể. Kết quả đo lượng đường phosphoryl hóa cho thấy rằng sự mất chức năng của sh1 dẫn đến giảm đáng kể hàm lượng G-1-P trong sh1 * nội nhũ. Là nguồn trực tiếp tổng hợp tinh bột, việc giảm của Glc-1-P có thể làm giảm đáng kể lượng cacbohydrat dẫn đến tổng hợp tinh bột, cuối cùng góp phần đến các khuyết tật trong quá trình phát triển hạt tinh bột và giảm hàm lượng tinh bột.

Sinh tổng hợp amylopectin đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng của các enzym bao gồm SSs, BE và DBE (Hannah, 1997; Whitt và cộng sự, 2002; James và cộng sự, 2003; Hannah và Greener, 2009; Jeon và cộng sự, 2010; Keeling và Myers, 2010). Thiếu BE enzyme trong ae1 dẫn đến sự tích tụ lên đến 50% amylose do sản xuất amylopectin ít hơn. Dạng đột biến gene waxy (wx) có kiểu hình nội nhũ ngô 100% amylopectin. Cả hai đột biến đã được sử dụng trong việc lai tạo ngô để tạo ra ngô có hàm lượng amylose cao hoặc thấp để thay đổi tính chất của tinh bột phục vụ cho các mục tiêu sử dụng khác nhau.

Hoạt động của DBE là cần thiết cho quá trình sinh tổng hợp tinh bột. Ở ngô, bộ DBE hoàn chỉnh bao gồm 1 PUL1 (ZPU1) và 3 protein ISA được bảo tồn cao (ISA1, ISA2 và ISA3). ISA1, được mã hóa bởi Sugary1 (Su1), được cho là chịu trách nhiệm chính cho sự kết tinh và sinh tổng hợp amylopectin (Kubo và cộng sự, 2010). Gen sugary1 (su1) mã hóa một debranching enzyme của isoamylase. Đột biến su1 có nội nhũ có phân nhánh rất cao các phân tử phytoglycogen hòa tan trong nước và là cấu trúc tiền thân của các giống ngô ngọt (James và cộng sự, 1995; Dinger và các cộng sự, 2001). Mất chức năng su1 cũng dẫn đến sự thiếu hụt đồng thời trong hoạt động của zpu1 (Dinger và các cộng sự, 2003). Các đột biến su1 lặn là cơ sở của các giống ngô ngọt truyền thống (Zhang và cộng sự, 2019).

Đề tài đã triển khai đúng tiến độ, đạt kết quả tốt. Sản phẩm đạt yêu cầu về số lượng và chất lượng cụ thể như sau:

Đã đánh giá các tính trạng dinh dưỡng bao gồm tinh bột, protein, lipit và beta-caroten của các mẫu giống ngô địa phương Việt Nam (200 mẫu giống/1 nhóm tính trạng). Kết quả đánh giá cho thấy tập đoàn ngô địa phương Việt Nam có mức độ đa dạng cao về các tính trạng dinh dưỡng.

Trên cơ sở kết quả giải trình tự của 52 gen liên quan đến các các tính trạng dinh dưỡng chủ yếu của ngô, đã phát hiện 840 SNP, 181 InDel. So sánh trình tự của các gen với cơ sở dữ liệu NCBI, đã xác định được 172 alen hiếm trên 32 gen liên quan đến tính trạng chất lượng. Tổng số 52 trình tự của 167 alen hiếm trên 31 gen đã được đăng ký trên NCBI.

Đề tài đã thiết kế và thử nghiệm thành công 7 bộ chỉ thị phát hiện 7 alen hiếm của 7 gen đã được giúp nhận dạng alen hiếm trên một số gen liên quan 82 đến tính trạng chất lượng dinh dưỡng của tập đoàn ngô địa phương của Việt Nam

Kết quả đánh giá các tính trạng chất lượng dinh dưỡng, trình tự của các gen được giải mã cũng như SNP và InDel được nhập vào cơ sở dữ liệu. Cơ sở dữ liệu trực tuyến về kiểu gen về chất lượng dinh dưỡng sẽ cung cấp thông tin cho người sử dụng phục vụ cho các nghiên cứu cơ bản và chương trình chọn tạo giống.

Đề tài đã xây dựng được tập đoàn hạt nhân về chất lượng dinh dưỡng bao gồm 82 mẫu nguồn gen ngô đại diện cho mức độ đa dạng cao về kiểu gen cũng như kiểu hình của tập đoàn ngô địa phương của Việt Nam.

Đ.T.V - NASATI.