Cải thiện di truyền hỗ trợ tăng trưởng cá rô phi đỏ ở Ai Cập

Chương trình nhân giống mới mang lại lợi ích cho người nuôi cá

Mục tiêu của chương trình nhân giống tại Trung tâm nghiên cứu cá là sản xuất cá phát triển nhanh hơn nhằm mang lại lợi ích cho nông dân nuôi cá ở Ai Cập.

Chương trình nhân giống cải thiện di truyền cá rô phi đỏ ở Ai Cập được thành lập vào năm 2014 tại Trung tâm Nghiên cứu Cá (FRC), Đại học Kênh đào Suez, Ismailia, Ai Cập. Giống cá đầu tiên (được đánh dấu bằng cách cắt vây) của chủng đỏ Ai Cập được chuyển từ ao ương sang ao nuôi, thu được trọng lượng trung bình khoảng 180 gram. Tại thời điểm chuyển giao, chọn lọc vật nuôi có tốc độ tăng trưởng và độ dày cơ thể trong 4 tháng. Vào thời điểm đó, cường độ chọn lọc và tỷ lệ thay thế tôm bố mẹ đạt được dấu hiệu rõ ràng với hệ thống đánh dấu hiện tại. Cá trong ao ương trở thành thế hệ đầu tiên, G1, của giống bố mẹ được chọn lọc.

Độ tuổi và kích thước khi chọn lọc

Câu hỏi đặt ra là liệu có nên chọn những con phát triển sớm hay không, ví dụ: khi chúng được di chuyển ra khỏi ao ương. Về mặt tích cực: lựa chọn lọc sớm rút ngắn thời gian và tăng tốc độ di truyền lên đến 50% hoặc hơn. Ngược lại, việc chọn lọc sớm có thể làm thay đổi các đường cong tăng trưởng, dẫn đến sự tăng trưởng nhanh nhưng cá phát triển chậm sau khi trưởng thành. Một số bằng chứng giai thoại và thực nghiệm cho thấy điều này xảy ra ở cá rô phi. Chúng tôi đã lên kế hoạch nghiên cứu nhằm làm sáng tỏ vấn đề này bằng cách xem xét mối tương quan giữa tỷ lệ tăng trưởng sớm và muộn.

Hình 1: Chương trình di truyền sẽ cải thiện tốc độ tăng trưởng của chủng đã chọn với tỷ lệ dự đoán 5-7% mỗi thế hệ.

Cường độ chọn lọc sẽ hạn chế tốc độ tăng di truyền

Yếu tố chính làm hạn chế tốc độ di truyền là số lượng cá có thể được đánh dấu bằng cách cắt vây, từ 4.000 đến 6.000. Số lượng ước tính của các con lai mới được chọn lọc để thay thế các con lai khác hàng năm khoảng 300 cho mỗi dòng. Tỷ lệ tử vong giữa đánh dấu và chọn lọc làm giảm số lượng có sẵn để chọn lọc, kết quả là cường độ chọn lọc được dự đoán khoảng 10 phần trăm. Điều này thực sự khá tốt đối với nhiều động vật nuôi trên cạn với số lượng một vài con. Tuy nhiên, kết  quả đạt được ở cá rô phi có thể ít hơn đáng kể nếu sử dụng một kỹ thuật đánh dấu khác.

Mối quan hệ giữa cường độ chọn lọc và tốc độ di truyền mong đợi là phi tuyến tính, có thể được tính toán bởi các yếu tố di truyền khác bằng nhau. Nếu tăng tỷ lệ tăng di truyền lên 50% sẽ yêu cầu giảm tỷ lệ động vật được chọn trong mỗi thế hệ từ 10% xuống khoảng 0,42%. Điều này có nghĩa là đánh dấu 95.000 con vật thay vì 4.000 con, rõ ràng không thể thực hiện với phương pháp cắt vây. Tuy nhiên, sẽ dễ dàng nếu cá có các dấu màu tự nhiên như gen đỏ trội của chủng đỏ Ai Cập. Việc tăng cường cường độ chọn lọc đủ để tăng gấp đôi tỷ lệ di truyền dự kiến hiện tại có nghĩa là đánh dấu khoảng 700.000 cá thay vì 4.000 cá.

Tỷ lệ thay thế tôm bố mẹ sẽ hạn chế tỷ lệ tăng di truyền

Kế hoạch là duy trì 300 giống cái được lựa chọn trong mỗi dòng M và F. Chúng được gọi là giống “ông bà” và được dán nhãn M và F trong sơ đồ lưu lượng (Hình 2). Với 300 con lai được chọn từ 4.000 đến 6.000 con được đánh dấu, có thể duy trì cường độ chọn lọc là 10 phần trăm trong khi thay thế tất cả các con giống hàng năm nhằm giảm thiểu thời gian thế hệ. Tuy nhiên, 300 con lai không sản xuất đủ cá giống để thay thế thế hệ cha mẹ, được sử dụng để tạo ra giống lai F1 cho dây chuyền sản xuất.  Có thể cần 30.000 con lai hàng năm, và 300 con giống chỉ sản xuất khoảng 12.000 con / tháng, số lượng  này không đủ khi xuất hiện tỷ lệ tử vong. Giống bố mẹ được cho là có thể được thay thế mỗi năm  hai lần thay vì một lần, nhưng điều này làm trì hoãn việc chuyển giao lợi ích của cải tiến di truyền cho dây chuyền sản xuất.

Hình 2: Sơ đồ lưu trình thể hiện các bước trong chương trình chọn lọc và cải tiến di truyền.

Quy trình đánh dấu cá và cường độ lựa chọn

Cắt vây được sử dụng để phân biệt giữa các loài; quy trình cắt vây này đã được chứng minh tại Trung tâm WorldFish (Trạm nghiên cứu Abbassa) từ năm 2004 đến năm 2007. Số lượng cá tối đa được đánh dấu trong một giai đoạn, tức là một vòng chọn lọc, ước tính là 4.000 đến 6.000. Điều này thiết lập giới hạn trên cho cường độ chọn lọc với quy trình đánh dấu khoảng 10%.

Đối với màu sắc tự nhiên (màu đỏ so với bạc tự nhiên), cường độ chọn lọc cao hơn nhiều có thể đạt được nếu gen trội đỏ xuất hiện hay biến mất, thay vì cắt vây trái / phải, để phân biệt chủng M và F. Về cơ bản, không có giới hạn trên cho cường độ chọn lọc ngoại trừ số lượng cá có thể đo được, cao khi chúng được sàng lọc trước để tập trung những con lớn hơn trước khi đo. Các giống lai F1 giữa các chủng hợp tử màu bạc và đồng hợp tử màu đỏ là màu đỏ, theo như yêu cầu sản xuất. Những con cá đỏ F1 này giao phối với nhau tạo ra 25% cá bạc trong mỗi thế hệ.

Đánh dấu P.I.T và mẫu DNA được sử dụng. Khi mỗi thế hệ mới của cá  giống“ông bà” được sản xuất, những con được chọn để trở thành con lai là P.I.T. - được đánh dấu để chúng được xác định và ra khỏi trại ương tại thời điểm thích hợp. Các mẫu mô được lấy từ các vây cùng lúc với cá được đánh dấu và lưu trữ cẩn thận để phân tích DNA sau này. Dữ liệu ADN cuối cùng được sử dụng cho nhiều mục đích: theo dõi tỷ lệ lai cận huyết và mất đa dạng di truyền, tài liệu về tôm bố mẹ để bảo vệ pháp y và pháp lý về chủng độc quyền của chủ sở hữu.

Vai trò của di truyền học trong phát triển doanh nghiệp nông nghiệp

Tỷ lệ sản xuất cá rô phi hàng năm tại chương trình nhân giống này dự kiến tăng từ khoảng 3.000 tấn lên khoảng 17.000 tấn trong 5 năm tới. Môi trường sản xuất đã được thay đổi từ ao nuôi thâm canh sang nuôi siêu thâm canh trong các bể lai phân tử 250 m2, mỗi bể chứa khoảng 30.000 con. Sản xuất trong hệ thống mới được bắt đầu với chủng tốt nhất hiện có nhằm cung cấp cho chủ trang trại lợi thế về chi phí sản xuất ban đầu so với các đối thủ cạnh tranh. Nếu chủng tốt nhất có sẵn rộng rãi như chủng màu đỏ đã chọn lọc thì không thể tránh khỏi các đối thủ sớm hay muộn cũng nhận ra ưu thế của cùng chủng đó. Tôi ước tính rằng cơ hội cạnh tranh cho trang trại hoạt động theo chương trình này có thể là khoảng năm năm, dựa trên việc thu lợi nhuận từ chi phí cao với tỷ lệ giá của chủng tốt nhất hiện có. 

Trong suốt thời gian năm năm, chương trình di truyền sẽ cải thiện tốc độ tăng trưởng của chủng với tốc độ dự đoán 5-7% mỗi thế hệ. Vì vậy, khi chủng tốt nhất hiện nay cuối cùng trở thành một mặt hàng được sử dụng rộng rãi, trang trại sẽ tiếp tục có một chi phí đáng kể: lợi thế về giá so với các đối thủ cạnh tranh bởi vì dòng của chủng này sẽ được cải thiện. Tại thời điểm đó, chỉ riêng FRC sẽ có chủng tốt nhất (mặc dù các công ty nuôi trồng thủy sản khác có thể có các chương trình di truyền tương đương) và có thể chọn bắt đầu bán cá giống cho các nhà sản xuất khác. Khi FRC bắt đầu bán cá giống ("sản phẩm di truyền") cho các nhà sản xuất khác, nó sẽ có thể khiến  giá tăng cao hơn: tỷ lệ giá bằng cách tính giá cá giống tương đối cao. Điều này tương tự như cách các nhà sản xuất hạt giống hiện đại trong các ngành công nghiệp khác thu được một số lợi nhuận từ hiệu suất cải thiện hạt giống. Chìa khóa để bán sản phẩm di truyền cho nông dân ở mức giá cao (như được minh họa bằng việc bán tinh dịch trong ngành công nghiệp chăn nuôi bò sữa), chứng minh rõ ràng và chính xác khả năng tăng hiệu suất.

Hình 3: Sơ đồ chương trình cải tiến di truyền và cách thức để tích hợp với ngành nuôi cá thương phẩm.

Chứng nhận ISO của chương trình cải tiến di truyền

Khi FRC bắt đầu bán cá giống ("sản phẩm di truyền") cho các nhà sản xuất khác, nó sẽ có thể khiến  giá tăng cao hơn: tỷ lệ giá bằng cách tính giá cá giống tương đối cao. Sự gia tăng năng suất sẽ là chìa khóa để bán các sản phẩm di truyền được cải thiện. Vì vậy, tài liệu chính xác và tiêu chuẩn hóa các quy trình chọn lọc và kiểm tra được ưu tiên hàng đầu tại FRC. Các tiêu chuẩn ISO về tài liệu sẽ được yêu cầu khi FRC bắt đầu bán các sản phẩm di truyền (ví dụ: cá giống) trên cơ sở cải thiện hiệu suất đã được chứng minh và có thể lặp lại.

Vấn đề an ninh và bảo vệ các chủng FRC

Việc bảo vệ nguồn gen của các dòng thuần chủng tránh lai trái phép bằng cách chỉ phân phối các giống lai F1 giữa hai hoặc nhiều dòng. Hơn nữa, các giống lai đã chuyển đổi giới tính. Nếu các giống lai được lai bởi một “kẻ tấn công”, thế hệ F2 sẽ ít đồng đều hơn và thường kém hơn cha mẹ cả về hình thức và tốc độ tăng trưởng. Tuy nhiên, FRC đã phát triển chiến lược để duy trì an toàn sinh học cao so với các dòng ông bà thuần túy M và F của nó.

Khi xem xét việc bảo vệ và đăng ký pháp lý, thủ tục đăng ký hoặc cấp bằng sáng chế một giống di truyền mới chính thức đòi hỏi phải thể hiện tính độc đáo, ổn định và tính đồng nhất của giống.

Khi xem xét việc bảo hộ và đăng ký pháp lý, thủ tục đăng ký hoặc cấp bằng sáng chế chính thức một giống di truyền mới đòi hỏi phải thể hiện tính độc đáo, ổn định và tính đồng nhất của giống. Các dấu ADN được sử dụng cho mục đích này và số lượng locus đánh dấu DNA được phát triển cho cá rô phi. Tuy nhiên, chúng tôi thu thập các mẫu DNA từ mọi thế hệ con lai và lưu trữ chúng ở một nơi an toàn ngay cả khi không có kế hoạch để phân tích chúng.

Các dấu hiệu DNA được sử dụng để phân tích pháp y. Dữ liệu đánh dấu DNA (hồ sơ “vân tay”) có sẵn để sử dụng pháp y khi cần thiết, tức là nếu có nghi ngờ rằng chủng này đã được một đối thủ cạnh tranh bất hợp pháp thu được. Dữ liệu đánh dấu DNA được tích lũy trong các thế hệ kế tiếp của phát triển giống có thể và đã được sử dụng cho mục đích này. Trong bối cảnh này, điều quan trọng là phải lưu trữ các mẫu DNA và dữ liệu mỗi thế hệ.

Quan điểm

Sự thành công lâu dài của chương trình chọn lọc này sẽ phụ thuộc vào một số yếu tố quan trọng, bao gồm việc thành lập “quần thể tổng hợp” với đa dạng di truyền rộng, sử dụng chiến lược lựa chọn kết hợp, hạn chế lai giống, đo lường di truyền và cung cấp gen cá có chất lượng cho nông dân. Nếu được thực hiện đúng cách sẽ mang lại lợi ích đáng kể cho nông dân nuôi rô phi ở Ai Cập cũng như tăng sản lượng cá trong nước.