Việt Nam nằm trong nhóm 10 quốc gia sản xuất khoai lang lớn nhất thế giới năm 2020 cùng với Trung Quốc, Malawi, United Tanzania, Nigeria, Angola, Ethiopia, Mỹ, Uganda, Indonesia. Tuy nhiên các nghiên cứu cơ bản trên cây khoai lang còn thiếu và yếu, nghiên cứu ứng dụng chỉ tập trung ở tuyển chọn giống và hoàn thiện quy trình canh tác. Các phương pháp chọn tạo và quy luật di truyền của các tính trạng quan trọng chưa được báo cáo cụ thể tại Việt Nam. Phát triển bộ sưu tập nguồn gen cốt lõi cùng với chiến lược đầu tư nghiên cứu, phát triển đồng bộ, liên ngành, dài hạn sẽ là đồng lực tạo ra những đột phá trong nghiên cứu khoai lang giai đoạn tới.
Khoai lang [Ipomoea batatas (L.) Lam] là cây lấy củ quan trọng đứng thứ ba trên thế giới sau khoai tây (Solanum tuberosum L.) và sắn (Manihot esculenta Crantz), với tổng sản lượng 91,8 triệu tấn (MMT) từ 7,8 triệu ha (Mha) năm 2020 (Xiao Y. & cs., 2022). Khoai lang có nguồn gốc ở Trung và Nam Mỹ và được trồng trên toàn thế giới, chủ yếu ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới châu Á và châu Phi, ở các vùng bán khô hạn nóng (Escobar-Puentes & cs., 2022).
Hình 1 (A) Năng suất khoai lang và sự phân bố năng suất trồng khoai lang trên thế giới; (B) Nhóm 10 quốc gia sản xuất khoai lang lớn nhất thế giới năm 2020
Nguồn: Xiao Y. & cs. (2022)
Theo thống kê của Tổ chức Nông lương thế giới (FAO) trong nghiên cứu của Xiao Y. & cs. (2022) chỉ ra Việt Nam nằm trong nhóm 10 quốc gia sản xuất khoai lang lớn nhất thế giới năm 2020 bao gồm Trung Quốc, Malawi, United Tanzania, Nigeria, Angola, Ethiopia, Mỹ, Uganda, Indonesia (Hình 1). Trong nhóm này, chỉ có Mỹ là nước duy nhất thuộc nhóm phát triển. Theo thống kê của Cục Trồng trọt (Bộ NN&PTNT), Việt Nam có khoảng 100.000ha trồng khoai lang, tổng sản lượng đạt 1,2-1,3 triệu tấn. Năng suất khoai lang cao nhất được ghi nhận ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, lên tới 25 tấn/ha, cao gấp đôi so với khu vực miền Bắc, chỉ đạt 12-13 tấn/ha. Ngày 05/04/2023 vừa qua, Tổng cục Hải quan Trung Quốc (GACC) đã thông báo phê duyệt cho 13 cơ sở đóng gói và 70 mã số vùng trồng khoai lang của Việt Nam được phép xuất khẩu vào thị trường Trung Quốc. Ước tính, diện tích trồng khoai lang được GACC cấp phép trong đợt đầu tiên này lên tới trên 1.000ha và phân bố ở khắp các địa phương trên cả nước, gồm: Quảng Ninh, Đắk Lắk, Kon Tum, Gia Lai, Vĩnh Long, Đồng Tháp… Đây là cơ hội và cũng là thách thức lớn đối với các nhà khoa học nông nghiệp Việt Nam cần phải tập trung nghiên cứu mạnh cây khoai lang, làm chủ công nghệ lõi chọn tạo, phát triển các giống khoai lang mới, xây dựng quy trình nhân giống và quy trình canh tác đáp ứng nhu cầu thị trường, tiêu chuẩn xuất khẩu.
Theo truyền thống, khoai lang được coi là “cây của người nghèo”, thứ chỉ được ăn trong những lúc cấp bách như nạn đói hoặc chiến tranh, và do đó ít được chú ý so với các loại cây lương thực khác. Tuy nhiên, trong thập kỷ qua, nhận thức này đã thay đổi và người ta thừa nhận rộng rãi rằng khoai lang có tiềm năng to lớn góp phần giảm suy dinh dưỡng và nạn đói ở các nước đang phát triển (Alam, 2021). Hiện nay, khoai lang là một loài quan trọng đối với dinh dưỡng và an ninh lương thực và là nguyên liệu để chế biến tinh bột, cồn sinh học và thức ăn chăn nuôi trong các lĩnh vực khác nhau. Khoai lang vốn có khả năng tạo ra nhiều năng lượng ăn được hơn hầu hết các loại cây lương thực chính, là loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, do vượt trội hầu hết các loại lương thực chủ yếu khác về vitamin A và C, β-caroten, anthocyanin, canxi và chất xơ (Xiao Y. & cs., 2022). Khoai lang là một cây lấy củ toàn năng. Khoai lang không chỉ được trồng làm thực phẩm cho người (củ và lá) và thức ăn gia súc mà còn là nguyên liệu công nghiệp để sản xuất tinh bột, rượu và chất màu tự nhiên (Alam, 2021). Củ khoai lang ruột cam có giá trị bổ sung sự thiếu hụt vitamin A. Lá khoai lang còn là một loại rau thơm ngon và có giá trị dinh dưỡng cao. Hiện nay, khoai lang ruột cam đóng vai trò quan trọng trong việc chống thiếu vitamin A ở châu Phi.
Việc phát triển các giống cây trồng kết hợp khả năng kháng bệnh và sâu bệnh với năng suất cao và nâng cao giá trị dinh dưỡng là điều cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về chất lượng thực phẩm và cung cấp nguyên liệu đầu vào cho các ngành chế biến công nghiệp (Yan & cs., 2022).
Hình 2. (A) Đa dạng hình thái lá, củ khoai lang và (B) giá trị dinh dưỡng cây khoai lang
Nguồn:Swanckaert & cs. (2021), Escobar-Puentes & cs. (2022)
Vai trò của bộ sưu tập nguồn gen cốt lõi (core germplasm)
Trong chiến lược nghiên cứu di truyền và chọn giống khoai lang trong tương lai (Hình 3), Yan & cs. (2022) đã chỉ ra nguồn gen có vai trò vô cùng quan trọng. Hiện tại, nguồn gen và bộ gen để chọn tạo giống khoai lang vẫn còn thiếu, điều này cản trở việc sử dụng thêm các công cụ cải tiến cây trồng hiện đại như chọn lọc bộ gen, chỉnh sửa bộ gen và đánh giá kiểu hình hiệu năng cao.
Hình 3. Chiến lược nghiên cứu di truyền và chọn giống khoai lang trong tương lai
Nguồn: Yan & cs. (2022)
Việc sử dụng công cụ di truyền chọn giống phân tử có tiềm năng lớn để cải thiện các thành phần dinh dưỡng và chức năng trong khoai lang qua đó nâng cao giá trị kinh tế (Xiao Y. & cs., 2022). Với những tiến bộ trong giải trình tự bộ gen, các phương pháp chọn tạo giống dựa trên bộ gen đã được sử dụng rộng rãi trong các loại cây trồng chính (Chen & cs., 2021). Những phương pháp này đã rút ngắn quá trình nhân giống và nâng cao hiệu quả chọn lọc. Về mặt lý thuyết, các phương pháp nhân giống bộ gen này cũng có thể được áp dụng hoặc mang lại lợi ích cho khoai lang. Cho đến nay, kỹ thuật chỉnh sửa gen CRISPR/Cas đã được sử dụng trong hơn chục loại cây trồng tiềm năng với nền tảng di truyền đa dạng, dẫn đến các alen mới và các kiểu hình có lợi cho người nhân giống, người trồng trọt và người tiêu dùng. Kỹ thuật này có thể sử dụng để cải tiến các giống khoai lang sẵn có hoặc tạo giống mới (Yan & cs., 2022; Cao & cs., 2023). Khi áp dụng cho một loài thực vật mới, hệ thống CRISPR-Cas9 thường yêu cầu tối ưu hóa đáng kể về mặt xây dựng véc tơ, biểu hiện gen chuyển, nuôi cấy mô, hiệu quả chuyển đổi, khả năng di truyền và chỉnh sửa bộ gen thực vật không có ADN do quá trình nhân giống vô tính của nó. Do đó, việc sử dụng kỹ thuật chỉnh sửa gen ở khoai lang vẫn còn là một chặng đường dài. Các nghiên cứu chọn tạo giống dựa trên các phương pháp đánh giá kiểu hình kết hợp chọn lọc dựa trên chỉ thị phân tử vẫn là xu thế và là chiến lược để cải tiến các giống hiện có và phát triển các giống khoai lang mới.
Sự đa dạng nguồn gen là cơ sở quan trọng để tạo giống mới và nghiên cứu đa dạng di truyền cung cấp thông tin quan trọng, rất có lợi cho việc phát hiện và cải tiến nguồn gen. Tất cả các chương trình chọn giống khoai lang trên thế giới đều tập trung làm sáng tỏ tính đa dạng di truyền dựa trên kiểu hình và kiểu gen để xác định chiến lược chọn tạo phù hợp. Frankel & Brown. (1984) đã đưa ra khái niệm về nguồn gen cốt lõi vào năm 1984, sử dụng một phương pháp đánh giá kiểu hình và kiểu gen để chọn một phần nguồn gen đại diện cho toàn bộ quần thể với số lượng nhỏ nhất và sự đa dạng di truyền cao nhất. Nhóm cây trồng chính như lúa nước (Song & cs., 2021), lúa mì (Sansaloni & cs., 2020), ngô (Li & cs., 2005) và một số loại cây trồng khác đều đã xây dựng tập đoàn nguồn gen cốt lõi phù hợp với từng mục tiêu chọn tạo trên toàn thế giới. Với sự tiến bộ của công nghệ giải trình tự gen thế hệ mới, bộ gen khoai lang tham chiếu đã được giải trình tự (Xiao Shizhuo & cs., 2023). Nguồn gen khoai lang cốt lõi gần đây đã được xây dựng tại Nhật Bản (Katayama & cs., 2017), Hoa Kỳ (Wadl & cs., 2018) và Trung Quốc (Chen Yi-Hang & cs., 2023). Các nghiên cứu xác định chỉ thị phân tử trên cây khoai lang đã được tiến hành bởi nhiều nhóm trên toàn thế giới. Nguồn gen khoai lang Việt Nam hiện nay có khoảng 565 mẫu giống được bảo tồn tại Trung tâm Tài nguyên thực vật (Hoai & cs., 2018). Tuy nhiên, việc xây dựng nguồn gen khoai lang cốt lõi chưa có báo cáo đầy đủ tại Việt Nam. Do đó, cấp thiết cần xây dựng bộ sưu tập lõi để tiết kiết chi phí lưu trữ, bảo quản, và sử dụng hiệu quả nguồn gen khoai lang phục vụ mục đích phát triển các giống khoai lang mới, đáp ứng nhu cầu thị trường và chiến lược phát triển nông nghiệp và nông thôn Việt Nam bền vững giai đoạn 2021-2030 tầm nhìn 2050.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Alam M. K. (2021). A comprehensive review of sweet potato (Ipomoea batatas [L.] Lam): Revisiting the associated health benefits. Trends in Food Science & Technology. 115: 512-529.
Cao X., Xie H., Song M., Lu J., Ma P., Huang B., Wang M., Tian Y., Chen F., Peng J., Lang Z., Li G. & Zhu J.-K. (2023). Cut–dip–budding delivery system enables genetic modifications in plants without tissue culture. The Innovation. 4(1): 100345.
Chen Q., Li W., Tan L. & Tian F. (2021). Harnessing knowledge from maize and rice domestication for new crop breeding. Molecular Plant. 14(1): 9-26.
Chen Yi-Hang, Tang Chao-Chen, Zhang Xiong-Jian, Yao Zhu-Fang, Jiang Bing-Zhi & Wang Zhang-Ying (2023). Genetic diversity and population structure of sweet potato landraces based on phenotypic traits, carotenoid content, and SSR molecular markers. Acta Agronomica Sinica. 49(5): 1249-1261.
Escobar-Puentes A. A., Palomo I., Rodríguez L., Fuentes E., Villegas-Ochoa M. A., González-Aguilar G. A., Olivas-Aguirre F. J. & Wall-Medrano A. (2022). Sweet potato (Ipomoea batatas L.) phenotypes: From agroindustry to health effects. Foods. 11(7): 1-17.
Frankel O. H. & Brown. A. H. D. (1984). Plant genetic resources today: a critical appraisal. Crop genetic resources: conservation and evaluation. J.H. W. Holden and J. T. Williams, eds. London: Allen and Unwin.: 241-256.
Hoai T. T. T., Hummer K. E. & Nghia L. T. (2018). Plant Resources Center and the Vietnamese Genebank System. International Symposia on Tropical and Temperate Horticulture - ISTTH2016. 425-430.
Katayama K., Kobayashi A., Sakai T., Kuranouchi T. & Kai Y. (2017). Recent progress in sweetpotato breeding and cultivars for diverse applications in Japan. Breeding science. 67(1): 3-14.
Li Y., Shi Y., Cao Y. & Wang T. (2005). Establishment of a core collection for maize germplasm preserved in Chinese National Genebank using geographic distribution and characterization data. Genetic Resources and Crop Evolution. 51(8): 845-852.
Sansaloni C., Franco J., Santos B., Percival-Alwyn L., Singh S., Petroli C., Campos J., Dreher K., Payne T., Marshall D., Kilian B., Milne I., Raubach S., Shaw P., Stephen G., Carling J., Pierre C. S., Burgueño J., Crosa J., Li H., Guzman C., Kehel Z., Amri A., Kilian A., Wenzl P., Uauy C., Banziger M., Caccamo M. & Pixley K. (2020). Diversity analysis of 80,000 wheat accessions reveals consequences and opportunities of selection footprints. Nature Communications. 11(1): 4572.
Song J.-M., Arif M., Zi Y., Sze S.-H., Zhang M. & Zhang H.-B. (2021). Molecular and genetic dissection of the USDA rice mini-core collection using high-density SNP markers. Plant Science. 308: 110910.
Swanckaert J., Gemenet D., Anglin N. L. & Grüneberg W. (2021). Sweet Potato (Ipomoea batatas (L.) Lam.) Breeding. Trong: Advances in Plant Breeding Strategies: Vegetable Crops: Volume 8: Bulbs, Roots and Tubers. Al-Khayri J. M., Jain S. M. & Johnson D. V. (eds.). Springer International Publishing Cham: 513-546 trang.
Wadl P. A., Olukolu B. A., Branham S. E., Jarret R. L., Yencho G. C. & Jackson D. M. (2018). Genetic Diversity and Population Structure of the USDA Sweetpotato (Ipomoea batatas) Germplasm Collections Using GBSpoly. Frontiers in Plant Science. 9.
Xiao S., Dai X., Zhao L., Zhou Z., Zhao L., Xu P., Gao B., Zhang A., Zhao D., Yuan R., Wang Y., Wang J., Li Q. & Cao Q. (2023). Resequencing of sweetpotato germplasm resources reveals key loci associated with multiple agronomic traits. Horticulture Research. 10(1): uhac234.
Xiao Y., Zhu M. & Gao S. (2022). Genetic and genomic research on sweet potato for sustainable food and nutritional security. Genes (Basel). 13(10): 1833.
Yan M., Nie H., Wang Y., Wang X., Jarret R., Zhao J., Wang H. & Yang J. (2022). Exploring and exploiting genetics and genomics for sweetpotato improvement: Status and perspectives. Plant Communications. 3(5): 100332.
Nhóm NCM "Nghiên cứu và Phát triển cây có củ tiềm năng"