Mã vạch, trình tự axit nucleic là nguồn hữu ích cho nuôi trồng thủy sản

Hai công nghệ có thể cùng nhau giúp xây dựng và duy trì thư viện di truyền cho ngành công nghiệp toàn cầu

Thịt bò và cá hồi đã chế biến, với bao bì có gắn mã vạch, tại siêu thị ở châu Á. Ảnh của Darryl Jory.

Mã vạch là chuỗi axit deoxyribonucleic (DNA) ngắn hoạt động giống như đoạn nhận dạng của tất cả sản phẩm mua trong các siêu thị. Những đoạn vật liệu di truyền nhỏ này đến từ bất kỳ phần nào của sinh vật, có thể được sử dụng để phân loại số lượng hoặc loại sinh vật.

Khi hai sinh vật xuất hiện tương tự nhau, ngay cả những khác biệt nhỏ trong mã vạch của chúng cũng cho phép chúng ta phân biệt được loài này với loài kia - một kỳ tích không thể xảy ra trong thế kỷ trước. Carolus Linnaeus, người thực hiện thử thách phân loại phần lớn thế giới tự nhiên, phải nhìn vào sự khác biệt hiện tại của sinh vật từ bề ngoài của chúng để tìm ra những gì thuộc về đặc điểm tự nhiên. Mặc dù điều này không hoàn toàn sai nhưng nhiều sinh vật tương tự có thể khác nhau về số lượng phân tử và mã vạch giúp chúng ta thấy chúng khác nhau như thế nào bằng cách sử dụng thông tin có sẵn.

Nếu chúng ta càng có nhiều sinh vật ghi mã vạch thì chúng ta càng dễ dàng xác định được loài chưa biết, so sánh tính đồng nhất và phân loài giữa các nhóm sinh vật. Điều này trở nên quan trọng hơn khi có sự khác biệt lớn về đặc điểm hình thái của một sinh vật, bao gồm kích thước, màu sắc và các đặc tính khác. Ví dụ, nhiều loài cá có thể có các giai đoạn phát triển khác nhau và biến đổi kiểu hình trong quá trình phát triển của chúng, khiến cho sự nhận dạng và phân loại trở nên phức tạp và dễ bị lỗi, dẫn đến nhiều vấn đề về phân loại và nuôi trồng thủy sản.

Sự đơn giản của mã vạch DNA

Nguyên tắc mã vạch DNA (DBC) rất đơn giản và có thể áp dụng trên toàn thế giới để sử dụng cho bất kỳ loài nào. Quá trình mã vạch rất đơn giản: Chiết xuất DNA, sử dụng nó làm mẫu để khuếch đại một chuỗi ADN ngắn như chất chỉ thị trong ống nghiệm qua một kỹ thuật gọi là Phản ứng chuỗi polymerase (PCR), và sau đó giải trình tự để tạo ra sản phẩm PCR duy nhất từ sinh vật đã chọn .

Trước đó, đã có một số chất chỉ thị được sử dụng trong DBC đến từ các bào quan chứa DNA khác nhau như hạt nhân, ti thể và lục lạp (trong trường hợp thực vật và các sinh vật quang hợp khác). Sau đó, vào năm 2003, Giáo sư Paul Hebert và các đồng nghiệp của ông tại Đại học Guelph ở Canada đã đề xuất sử dụng một chỉ thị DNA đơn lẻ, ty thể cytochrome c oxidase 1 (CO1), được sử dụng cho bất kỳ loài nào ở bất kỳ nhóm phân loại nào. Độ bền vững của DBC đã được chứng minh khi nó được xem là khuếch đại DNA.

Ty thể Cytochrome c oxidase I (CO1) là một phần của enzyme quan trọng trong quá trình trao đổi chất hiếu khí. Hình ảnh của nhân viên Jawahar Swaminathan và MSD tại Viện Tin sinh học Châu Âu [Public domain], thông qua Wikimedia Commons.

Mặc dù có một số tranh luận liên quan đến việc sử dụng CO1 như một viên đạn bạc để phân biệt một số taxa nhưng chiến lược đơn giản này đã được áp dụng ở hầu hết tất cả các hình thức nghiên cứu nhằm xác định, phân loại và so sánh các sinh vật cũng như quần thể. Nó đã được sử dụng thành công trong tính đa dạng của các sinh vật dưới nước, bao gồm các ứng dụng liên quan đến cá biển và nước ngọt. DBC đã được sử dụng không chỉ để xác định loài cá, mà còn trong một số trường hợp phân loại lại nhằm hỗ trợ thực hành nông nghiệp tốt hơn và lựa chọn loài cá nào tốt nhất để nuôi, loài nào hỗ trợ bảo tồn thiên nhiên của chúng.

Ngày nay, với hơn 30.000 loài cá khác nhau trên thế giới có nhiều hình dạng, đặc điểm và giai đoạn tăng trưởng khác nhau, mã vạch đã trở thành một công cụ thường xuyên trong nghiên cứu đa dạng sinh học và nuôi trồng thủy sản, thúc đẩy một chiến dịch mã vạch DNA ở tất cả các loài cá. Hiện nay, chiến dịch này đã tìm ra ứng dụng thông qua mã vạch cá của dự án cuộc sống (FISH-BOL) bắt đầu vào năm 2005, nơi có khoảng 25% trong số 30.000 loài cá hiện đang được xác định và ít nhất  89% loài đã biết mã vạch.

Một năm sau, gen CO1 của khoảng 8.000 loài cá đã có mã vạch và hơn 90%  loài cá cho đến nay được phân tích rõ ràng nhờ mã vạch. Trong khi con số này rất đáng kinh ngạc thì việc xây dựng một thư viện về tính đồng nhất cá giúp cộng đồng toàn cầu có thể truy cập trực tuyến một cách dễ dàng và có tác động rất lớn đến khả năng tiếp cận thông tin, ngay cả ở những vùng nuôi trồng thủy sản xa xôi.

Mặc dù DBC đơn giản và dễ sử dụng cùng với những bước tiến đã được thực hiện nhờ sự phát triển và sử dụng rộng rãi của nó nhưng có một công nghệ còn tốt hơn nữa: sự phát triển của các công nghệ giải trình tự axit nucleic thế hệ tiếp theo (NGS) tạo điều kiện cho việc sắp xếp chuỗi thông tin nucleic lớn và song song từ hầu hết các mẫu có sẵn.

NGS không chỉ có thể được sử dụng để sắp xếp toàn bộ bộ gen - toàn bộ dữ liệu DNA của một sinh vật - mà còn sử dụng để giải mã transcriptome, quá trình phiên mã các axit ribonucleic (mRNA) trong tế bào hoặc trong các mô. Nó thông báo gen nào xuất hiện hoặc biến mất vào bất kỳ thời điểm cụ thể nào hoặc sau một lần điều trị. Với ứng dụng NGS trong thập kỷ qua, mã vạch ADN có còn chiếm lĩnh trong nghiên cứu nuôi trồng thủy sản hay không?

Chỉ số của dữ liệu trình tự thế hệ tiếp theo được ánh xạ tới bộ gen tham chiếu. Bởi Suspencewl (công việc riêng) [CC0], thông qua Wikimedia Commons.

Mã vạch và nuôi cá

Trước đây, mã vạch trong các loài cá đã được sử dụng cho nghiên cứu đa dạng sinh học. Nó có một số điểm mạnh như xác định các loại cá bí ẩn và các quần thể không rõ ràng về mặt di truyền, đặc biệt ở các nước đang phát triển không được trang bị đầy đủ các nguồn lực để thực hiện các phương pháp sàng lọc di truyền và nhận diện phân tử phức tạp. Mặc dù vậy, DBC là một phương pháp vẫn còn sử dụng nhiều trong nuôi trồng thủy sản và mã vạch cùng với các công nghệ DNA khác đã giúp cách mạng hóa nghiên cứu nuôi trồng thủy sản.

Cá là nhóm động vật có xương sống lớn nhất, với hơn 30.000 loài, cung cấp một vai trò quan trọng trong việc phát triển các nền kinh tế và là thức ăn cho con người trên toàn cầu. Việc xác định đúng các loài cá quan trọng về mặt thương mại là một bước cơ bản và rất cần thiết trong quản lý cũng như nuôi trồng thủy sản. Với sản lượng nuôi trồng thủy sản toàn cầu tăng hàng năm và chiếm khoảng một nửa nguồn cung cá toàn cầu, việc xác định thích hợp để tách biệt các loài cá quan trọng về mặt thương mại khỏi các đối tượng không rõ ràng về mặt hình thái có tầm quan trọng thiết yếu vì nhiều lý do:

1. Có lẽ DBC được ưa chuộng nhất trong nuôi trồng thủy sản vì khả năng nhận dạng nhằm ngăn chặn việc dán nhãn sai và thay thế các sản phẩm cá, đặc biệt là các sản phẩm chế biến hoặc không rõ ràng, chẳng hạn như cá phi lê. Điều này có một số tác động tiềm tàng. Đầu tiên, các sản phẩm cá dán nhãn sai có thể bao gồm cá có tình trạng đa dạng sinh học bị đe dọa và ảnh hưởng đến các nỗ lực bảo tồn. Việc xác định đúng loại cá bán trên thị trường cũng có thể ngăn ngừa các trường hợp dị ứng và các vấn đề sức khỏe không mong muốn phát sinh từ việc tiêu thụ các loài sai do tên địa phương khó hiểu, góp phần đảm bảo an toàn sức khỏe và xác thực thực phẩm. Điều này trở nên quan trọng ở những nơi có nhiều phương ngữ thường được sử dụng để mô tả các loài cá khác nhau. Các chất ô nhiễm đặc trưng của các loài trong các sản phẩm cá - một  trong số đó có thể gây hại cho sức khoẻ con người, đặc biệt là các sản phẩm có trong cá sống - cũng có thể được phát hiện theo cách này.

2. Xác định con lai rất quan trọng để duy trì giống thuần chủng. Điều này có thể ảnh hưởng đến thực hành canh tác và tính nghiêm ngặt của khu vực nuôi, cùng với việc tính toán và chọn lọc chống biến đổi di truyền (thay đổi thường xuyên biến thể gen hiện tại, hoặc gen đẳng vị trong quần thể do lấy mẫu ngẫu nhiên các sinh vật). Điều này không chỉ  áp dụng đối với cá trưởng thành mà còn cho các giai đoạn sống khác và phần còn lại của chúng.

3. Xác định giống bố mẹ tự nhiên thông qua DBC là thử nghiệm trứng, ấu trùng và xác định các khu vực sinh sản có thể để mà những loài cá quan trọng về mặt thương mại có thể cư trú. Điều này cũng được áp dụng đối với việc ước tính hạn ngạch đánh bắt trong khai thác thủy sản.

Chiết xuất DNA của gen được xem trên gel agarose 1%. Ảnh của R.G. Angeles-Gumban.

NGS trong nuôi trồng thủy sản

Mặc dù cá là sinh vật thứ ba có mã vạch trên toàn cầu và có vai trò quan trọng nhất trong nuôi trồng thủy sản nhưng việc sử dụng kỹ thuật DBC ở những loài này đã bị ảnh hưởng bởi sự phát triển tiến bộ của công nghệ NGS. NGS có thể xử lý hàng triệu đoạn nhỏ axit nucleic được giải trình tự nhiều lần với tốc độ nhanh hơn nhiều so với trình tự Sanger truyền thống - phương pháp sắp xếp chuỗi trong gần nửa thế kỷ - và bao gồm một dải thông tin rộng hơn nhờ tăng độ.

Khi xem xét việc sử dụng NGS trên DBC, lượng thông tin có thể được tạo ra từ việc sử dụng kỹ thuật này là một yếu tố rất quan trọng. Ví dụ, một trong nhiều nền tảng NGS, nền tảng Roche 454 NGS, tạo ra phép  đọc trình tự dài hơn DBC truyền thống. Lượng dữ liệu được cung cấp cực lớn sau khi trình tự, hình ảnh được tạo ra bộ gen càng rõ, với sự khác biệt được làm nổi bật hơn - một thành tựu mà DBC đã phấn đấu đạt được trong hơn một thập kỷ.

Yếu tố chính tiếp theo là chi phí. Tính đơn giản và hiệu quả về chi phí của DBC luôn là một trong những thế mạnh nổi bật của nó cùng với chi phí giải trình tự đã giảm dần, cho phép tiếp cận nhiều hơn với nhiều nhóm và tổ chức nghiên cứu khác nhau. Mức độ bao phủ lớn hơn này cũng được thấy trong các phiên bản chi phí thấp hơn của thiết bị được thu nhỏ lại và đang được thực hiện với giá cả phải chăng hơn cho nhiều nhà nghiên cứu.

NGS đầu tiên có nguồn gốc từ trình tự bộ gen hoàn thiện cho cá được tạo ra trên các sinh vật mô hình, tiếp theo là cá quan trọng về mặt thương mại; và danh sách tiếp tục phát triển, bao gồm bộ gen từ cá hồi Đại Tây Dương, cá tuyết Nam Cực, cá chình Nhật Bản, cá ngừ vây xanh Thái Bình Dương, cá da trơn, cá chép, cá rô phi, cá chẽm châu Âu, lưỡi liềm, cá hồi cầu vồng, cá nóc, bò đực Nam Cực, cá măng phía Bắc , cá vược Châu Á , cá trắm cỏ, cá rồng châu Á và cá nhái đốm, vv...

NGS xuất phát từ trình tự bộ gen hoàn thiện đã được thực hiện ở một số loài nuôi quan trọng về mặt thương mại như cá hồi Đại Tây Dương (l) và cá chép (r). Ảnh của Darryl Jory.

Những phát triển này trong công nghệ tính toán cũng có sẵn nhằm sử dụng trên nhiều loại sinh vật dưới nước, kể cả các loài phi mô hình và phi thương mại. Điều này mở ra cánh cửa cho việc sử dụng NGS mà không cần dữ liệu tham chiếu như DBC. Vì DBC hoạt động dựa trên so sánh dữ liệu hiện có so với kết quả phân tích DBC mới nên có một độ sai lệch về một số lợi ích phân loại nhiều hơn những loại khác. Điều này có thể gây khó khăn cho các cá nhân khám phá việc sử dụng loài không mã vạch hoặc những người chưa biết về nguồn thay thế giá trị dinh dưỡng cho tiêu dùng của con người và động vật.

Có lẽ sức mạnh của NGS so với DCB được minh họa tốt nhất bởi tính linh hoạt của việc sử dụng dữ liệu ngoài khả năng xác định điểm tương đồng và khác biệt giữa các điểm phân loại. NGS nhanh chóng trở thành một công cụ quan trọng trong việc tìm kiếm các chỉ số di truyền có liên quan đến gen  thương mại cho cả nhà cung cấp và người tiêu dùng, bao gồm gen liên quan đến khả năng miễn dịch bẩm sinh và sinh lý học của cá như peptide kháng sinh, probiotic và chế độ ăn cũng như trao đổi chất- tương tác gen. Đây là những yếu tố cần thiết góp phần vào sự gia tăng sản lượng nuôi trồng thủy sản, hiệu quả hoạt động của nó ở các cấp độ khác nhau, toàn bộ trình tự genome của nuôi trồng thủy sản hiện có và các mầm bệnh đang nổi lên cũng như tập trung vào dịch tễ học của chúng.

Quan điểm: Một sự kết hợp giữa NGS và DBC?

Các nhà nghiên cứu nuôi trồng thủy sản đã tranh luận lớn về tương lai của DBC, một số tập trung vào các phương pháp NGS hiện đại hơn và ghi nhãn các phương pháp di truyền truyền thống như DBC lỗi thời. Những người khác có một cách tiếp cận tích cực hơn, sử dụng DBC để bắt đầu kết hợp sự xuất hiện của NGS vào các phương pháp luận của nó.

Sự kết hợp của DBC và NGS đã được thảo luận, với việc tăng cường các kỹ thuật DBC được gọi là "metabarcoding" có thể được sử dụng để phát hiện DNA bị loại bỏ hoặc làm thoái hóa môi trường (eDNA). eDNA đã được sử dụng thành công trong việc ước lượng phân bố các loài xâm lấn trong ao, điều này có thể tác động trực tiếp khi đối phó với những sinh vật lạ xâm nhập vào loài cá nuôi có trọng lượng thương mại và sinh sản quan trọng. Sử dụng eDNA cũng đã được nghiên cứu cho các ứng dụng trong môi trường biển chỉ sử dụng nước biển làm mẫu. Đã có những nỗ lực để phát hiện alen cực kỳ hiếm, có thể hữu ích cho nuôi trồng thủy sản. Các alen hiếm có thể là những đặc điểm hữu ích giúp nhân giống chọn lọc và là nguồn gen tiềm năng để tăng cường sản xuất cá.

Sự kết hợp của DBC và NGS chỉ áp dụng trong giai đoạn trứng nước  và cần phải được phát triển. Mặc dù các lập luận ủng hộ NGS, song DBC vẫn là một công cụ nuôi trồng thủy sản chủ lực vì có thể sử dụng ở những khu vực trong khi chi phí NGS được giảm xuống vẫn là gánh nặng đối với người dân địa phương. DBC truyền thống vẫn có thể được sử dụng ở các nước thiếu cơ sở hạ tầng và vốn để đầu tư các nguồn lực vào NGS trong nghiên cứu và quản lý nghề nuôi cá. Mặc dù cần phải dành nhiều thời gian để đánh giá lại việc sử dụng mã vạch trong bối cảnh hiện tại của cộng đồng gen NGS nhưng DBC vẫn có thể là công cụ chủ yếu để xây dựng tài nguyên thư viện di truyền cần thiết cho các nhu cầu nuôi trồng thủy sản đơn giản. .

Tài liệu tham khảo có sẵn từ các tác giả.