1. Khái niệm DNA mã vạch
Khái niệm DNA mã vạch được Paul Herbert, nhà nghiên cứu tại Đại học Guelph, Ontario đưa ra lần đầu tiên vào năm 2003, nhằm giúp nhận diện các mẫu vật (Hebert, 2003). DNA mã vạch là trình tự nucleotide của một chuỗi DNA ngắn, có cùng nguồn gốc tổ tiên (orthologous), trong đó có vùng ít bị thay đổi (rất ổn định – bảo thủ) và có vùng dễ thay đổi trong quá trình tiến hóa. Dựa vào mức độ thay đổi trong trình tự DNA này để đánh giá sự sai khác di truyền giữa các sinh vật và xác định sinh vật đó thuộc về loài nào. Phương pháp xác định DNA mã vạch có thể áp dụng cho các đối tượng sinh vật khác nhau từ động vật, thực vật, vi sinh vật (Lê Thị Thu Hiền và cộng sự, 2012).
2. Ứng dụng và những lợi ích của DNA mã vạch trong đời sống
– Xác định nguồn gốc của sinh vật: trong hệ sinh thái, DNA mã vạch rất hữu ích trong việc tìm mối quan hệ giữa các mẫu mặc dù chúng hầu như không giống nhau về hình thái.
– Kiểm soát tác nhân gây hại trong nông nghiệp: sử dụng DNA mã vạch sẽ giúp định danh nhanh chóng các loài gây bệnh ở giai đoạn tiềm ẩn (giai đoạn ấu trùng), hỗ trợ chương trình kiểm soát sâu bệnh, bảo vệ cây trồng.
– Xác định vật chủ trung gian gây bệnh: mã vạch DNA được sử dụng để nhận diện những vật chủ trung gian gây bệnh để đề ra phương pháp ngăn cản và điều trị nhanh chóng.
– Duy trì nguồn tài nguyên thiên nhiên, bảo vệ loài nguy cấp: DNA mã vạch giúp cho cơ quan có thẩm quyền có thể xác định thịt có nguồn gốc từ những loài nguy cấp, ngăn chặn săn bắn bất hợp pháp hoặc sản phẩm có nguồn gốc từ thực vật cấm khai thác, giúp bảo tồn đa dạng sinh học.
3. Ứng dụng DNA mã vạch trong nông nghiệp trên thế giới
Nghiên cứu của Kress và Erickson (2007) ở 96 loài thực vật thuộc 48 chi khác nhau cho thấy khi kết hợp mã vạch rcbL và trnH-psbA với nhau, khả năng phân biệt loài tăng lên 88% so với 72% khi sử dụng riêng lẻ từng loại mã vạch.
Fazekas et al. (2008) so sánh 8 vùng mã vạch thực vật có nguồn gốc từ bộ gene lục lạp và một vùng từ bộ gene ti thể để đánh giá hiệu quả của chúng trong việc phân biệt các nhóm đơn ngành (monophyly) từ 92 loài thuộc 32 chi thực vật trên cạn khác nhau. Các chỉ thị phân tử nằm trên bộ gene lục lạp bao gồm 5 vùng mã hóa (rpoB, rpoC1, rbcL, matK và 23S rDNA) và 3 vùng không mã hóa (trnH-psbA, atpF-atpH, và psbK-psbI). Các vùng trình tự trong nghiên cứu có khả năng khác nhau khi phân biệt loài, khả năng khuếch đại và hiệu quả giải trình tự. Độ phân tích locus đơn dao động từ 7% (23S rDNA) đến 59% (trnH-psbA). Độ hồi phục trình tự phụ thuộc chủ yếu vào hiệu quả khuếch đại (85-100% trên các locus lục lạp) còn đối với matK đòi hỏi nhiều công sức hơn để đạt được độ hồi phục thích hợp (88% khi sử dụng 10 cặp primer). matK, psbK-psbI và trnH-psbA gặp vấn đề trong việc giải trình tự hai chiều. Nếu bỏ qua các vấn đề kỹ thuật trong hiệu quả khuếch đại và giải trình tự thì việc kết hợp nhiều chỉ thị phân tử lục lạp khác nhau có thể đem lại lợi ích hết sức rõ ràng trong việc nhận diện loài.
Các nhà nghiên cứu của CBOL (2009) đã khảo sát 7 loại mã vạch DNA từ lục lạp bao gồm 3 loại không mã hóa (atpF-atpH, trnH-psbA và psbK-psbI) và 4 loại mã hóa (matK, rbcL, rpoB và rpoC1). Qua phân tích 907 mẫu vật thuộc 550 loài bao gồm thực vật Hạt kín (445 loài), Hạt trần (38 loài), Dương xỉ và Rêu (67 loài), dựa trên các tiêu chí về chất lượng của trình tự DNA mã vạch, hiệu quả khuếch đại và nhận diện loài (87,5%), tổ hợp matK và rbcL được xem như mã vạch đặc thù cho nhóm thực vật trên cạn. Trong khi đó, các mã vạch trnH-psbA và psbK-psbI mặc dù có khả năng phân biệt loài tốt nhưng do tỷ lệ nucleotide lặp lại cao gây khó khăn trong quá trình giải trình tự.
Yu et al. (2011) đã tiến hành nghiên cứu nhằm tìm ra một chỉ thị mã vạch DNA thích hợp cho việc nhận diện loài. Bốn vùng mã hóa của bộ gene lục lạp bao gồm matK, rpoB, rpoC1 và rbcL, thu thập từ 59 mẫu vật thuộc nhóm cam chanh (Citrus) và những cây họ hàng gần đã được sử dụng. matK cho hiệu quả tốt nhất so với các vùng khác trong khi rpoB và rpoC1 không cho kết quả khác biệt rõ ràng còn rbcL cho kết quả phân tích với hiệu quả trung bình.
Hidayat et al. (2012) đã sử dụng gene mã hóa maturase K nằm trên bộ gene lục lạp để phân tích 19 loài thuộc chi Mangifera thu thập từ Indonesia và Thái Lan. Phân tích phả hệ cho thấy matK có thể nhận diện và chia chi Mangifera thành ba nhóm chính. Ngoài ra, mã vạch matK có khả năng nhận diện các giống xoài đến từ Thái Lan. Kết quả phân tích còn cho thấy sự khác biệt trong trình tự gene matK của hai loài M. laurina và M. macrocarpa giữa Indonesia và Thái Lan.
Tripathi et al. (2013) đã tiến hành kiểm tra độ hữu hiệu của 5 locus mã vạch thực vật (rbcL, matK, ITS, trnH-psbA, và ITS2) trên 300 mẫu cây trồng nhiệt đới. rbcL là locus tốt nhất với khả năng khuếch đại trong PCR và giải trình tự tốt nhất. ITS và trnH-psbA là hai locus cho hiệu quả thứ nhì sau rbcL. Khả năng phân biệt và nhận diện loài của ITS dao động từ 24,4% đến 74,3%, từ 25,6% đến 67,7% đối với trnH-psbA phụ thuộc vào dữ liệu và phương pháp sử dụng. matK và ITS2 cho hiệu quả khuếch đại PCR kém nhất. Độ phân tích loài khi dùng ITS2 và rbcL dao động từ 9,0-48,7% và 13,2-43,6%. Việc kết hợp giữa ITS và trnH-psbA cho hiệu quả nhất định trong phân tích đa dạng di truyền, đặc biệt đối với các loài thực vật nhiệt đới, khi so sánh với độ hiệu quả chuẩn của chương trình mã vạch DNA được báo cáo ở thời điểm hiện tại. Việc sử dụng rbcL và matK làm mã vạch cho các loài thực vật nhiệt đới không cho hiệu quả tốt.
Li et al. (2018) đã thực hiện nhiều phân tích so sánh trên 10 bộ gene lục lạp khác nhau của các loài hồng ăn trái thuộc chi Thị (Dyospyros) thu thập từ vườn thực vật Bắc Kinh (Beijing Botanical Garden, Chinese Academy of Sciences) và Ngân hàng gene hồng Quốc gia (khoa Nông nghiệp, trường đại học Tây Bắc A&F, Dương Lâm, tỉnh Thiểm Tây, Trung Quốc). Tám vùng gene có độ đa hình cao đã được xác định bao gồm trnH-psbA, rps16-trnQ, rpoB-trnC, rps4-trnT-trnL, ndhF, ndhF-rpl32-trnL, ycf1a, và ycf1b. Các trình tự tiềm năng này có thể được phát triển thành chỉ thị DNA lục lạp nhằm nhận biết các cá thể ở cấp độ trên loài.
D’Agostino et al. (2018) đã giải mã trình tự đầy đủ của bộ gene lạp thể từ 8 loài thuộc chi Ớt (Capsicum). Các phân tích so sánh cho thấy một độ đa dạng cao, kết quả do các đột biến điểm và các đột biến chèn hoặc mất đoạn (InDels) tạo ra. Trong đó, accD, ndhB, rpl20, ycf1, và ycf2 là các gene giá trị nhất. Các trình tự đa hình được tìm thấy đã mở ra triển vọng phát triển chỉ thị phân tử hữu ích cho việc phân biệt các loài trong chi Capsicum.
Vu et al. (2019) đã sử dụng 8 trình tự DNA mã vạch gồm ITS, LEAFY, ACO, matK, trnL, rpoB, rpoC1 và trnH-psbA để nhận diện các loài hoa lan Việt Nam (Paphiopedilum). Kết quả của nghiên cứu đã định danh chính xác 17 trên 22 loài lan. Trong đó, ITS được xem là mã vạch hiệu quả nhất khi sử dụng riêng lẻ. Tuy nhiên, hiệu quả nhận diện cao nhất được ghi nhận khi kết hợp trình tự ITS với gen matK.
4. Ứng dụng DNA mã vạch trong nông nghiệp tại Việt Nam
Trong ngành nông nghiệp tại Việt Nam, DNA mã vạch được ứng dụng chủ yếu trong hỗ trợ định loại loài ở thực vật như: nhân sâm (Lê Thanh Hương và cộng sự, 2017), đánh giá đa dạng di truyền ở các loài thực vật như: măng cụt (Trần Nhân Dũng và Trần Thị Lê Quyên, 2012, Nguyễn Lộc Hiền và cộng sự, 2012), xoài (Trần Nhân Dũng và Đỗ Tấn Khang, 2012)…Trên động vật, đã có các nghiên cứu phát triển mã vạch DNA trên cá tra (Trần Thị Thúy Hà và cộng sự, 2020).
Định hướng phát triển sản xuất cây ăn trái vùng Nam Bộ đến năm 2020 là hình thành vùng trồng cây ăn trái chủ lực trồng tập trung và định hướng rải vụ một số cây ăn trái theo hướng đảm bảo năng suất, chất lượng, vệ sinh an toàn thực phẩm, nâng cao hiệu quả và khả năng cạnh tranh, trên cơ sở đổi mới phương thức tiếp cận thị trường, kết hợp ứng dụng nhanh các thành tựu khoa học, công nghệ, khai thác có hiệu quả lợi thế và điều kiện sinh thái mỗi vùng, mỗi địa phương đối với từng loại cây; quan tâm đến cây ăn quả đặc sản nổi tiếng có lợi thế cạnh tranh cao ở từng địa phương. Để đáp ứng nhu cầu hội nhập và giữ vững thị phần trên thị trường quốc tế, trái cây của Việt Nam cần được đảm bảo về an toàn, chất lượng lẫn hình thức. Trong đó, việc truy xuất nguồn gốc là vấn đề hết sức quan trọng. Hơn nữa, việc chứng minh chất lượng của trái cây được sản xuất từ giống gốc hoặc cây đầu dòng vô cùng phức tạp và gặp nhiều khó khăn, do đó cần phải có một phương pháp đáng tin cậy để giải quyết vấn đề này. Chính vì thế, việc xây dựng cơ sở dữ liệu DNA mã vạch cho các loại cây ăn trái đặc sản của Việt Nam là một nhiệm vụ vô cùng quan trọng và cấp thiết hiện nay.
Tài liệu tham khảo
Ngoài nước
CBOL Plant Working Group, 2009. “A DNA barcode for land plants.” Proceedings of the National Academy of Sciences. 106.31: 12794-12797.
D’Agostino, N., Tamburino, R., Cantarella, C., and Carluccio, V. D., Sannino, L., Cozzolino, S., Cardi, T. and Scotti, N., 2018. The Complete Plastome Sequences of Eleven Capsicum Geneotypes: Insights into DNA Variation. Genes. 9(10): 503.
Fazekas, A. J., Burgess, K. S., Kesanakurti, P. R., Graham, S. W., Newmaster, S. G., Husband, B. C., … and Barrett, S. C., 2008. Multiple multilocus DNA barcodes from the plastid genome discriminate plant species equally well. PloS one, 3(7), e2802.
Hebert, P. D., Cywinska, A., Ball, S. L. and Dewaard, J. R., 2003. Biological identifications through DNA barcodes. Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 270(1512), 313-321.
Hidayat, T., Pancoro, A., Kusumawaty, D. and Eiadthong, W., 2012. Development matK Gene as DNA Barcode to Assess Evolutionary Relationship of Important Tropical Forest Tree Geneus Mangifera. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering). 59: 17–20.
Trong nước
Lê Thanh Hương, Nguyễn Nhật Linh, Bùi Mạnh Ninh, Hà Hồng Hạnh, Huỳnh Thị Thu Huệ, Nông Văn Hải, Hà Văn Huân, Lê Thị Thu Hiền. (2017) Ứng dụng mã vạch DNA hỗ trợ định loại loài một số mẫu sâm thuộc chi nhân sâm. Tạp chí Công nghệ sinh học. 15(1): 63-72.
Trần Nhân Dũng và Đỗ Tấn Khang (2012) Đa dạng di truyền các giống xoài (Mangifera sp.) bằng kỹ thuật sinh học phân tử. Tạp chí Khoa học trường Đại học Cần Thơ. 22a: 175–185.
Trần Nhân Dũng và Trần Thị Lê Quyên (2012) Đa dạng di truyền các giống/dòng măng cụt (Garcinia mangostana L.) dựa trên dấu phân tử ISSR ở Bình Dương. Tạp chí Khoa học trường Đại học Cần Thơ. 23a: 253-261.
Trần Thị Thúy Hà, Trần Nguyễn Ái Hằng, Võ Thị Bích Thủy, Trần Thị Nga, Vũ Thị Trang, Nguyễn Thị Hương, Vũ Thị Thanh Nga, Lưu Thị Hà Giang, Nguyễn Thị Thu Thủy, Ngô Sỹ Vân (2020) Nghiên cứu phát triển và ứng dụng mã vạch di truyền (DNA barcoding) trên cá tra (Pangasianodon hypophthalmus). Tuyển tập Báo cáo và poster trưng bày tham gia “Hội thảo đánh giá kết quả thực hiện Chương trình Công nghệ sinh học trong lĩnh vực Di truyền chọn giống, công nghệ nuôi, môi trường và phòng trị bệnh thuỷ sản”.
Đăng ngày: 01/06/2023