Một giải pháp di truyền ứng phó với vi-rút hội chứng đốm trắng ở tôm

Chọn lọc bộ gen có thể nhanh chóng tăng cường sức đề kháng của tôm thẻ chân trắng đối với vi rút gây ra hội chứng đốm trắng (WSSV) - một trong những chứng bệnh gây tốn kém nhất trong ngành chăn nuôi tôm toàn cầu như thế nào.

Tôm thẻ chân trắng khỏe mạnh (Litopenaeus vannamei). Ảnh: Marcela Salazar, Benchmark Genetics

Các nhà khoa học của Nofima đã hợp tác với các đồng nghiệp tại Benchmark Genetics ở Colombia và Na Uy để chỉ ra rằng việc chọn lọc bộ gen có thể được sử dụng để tăng cường sức đề kháng của tôm đối với WSSV có khả năng gây chết và lây lan cao ở tôm. Có hơn 80% cá thể trong các họ được chọn lọc theo bộ gen tốt nhất đã sống sót khi bị thử thách với căn bệnh này. Giống như việc tiêm phòng cho quần thể để chống lại bệnh tật, việc nuôi những con vật có sức đề kháng như vậy trong quần thể tôm sẽ có đủ khả năng tạo ra hiệu ứng miễn dịch cho quần thể, làm giảm đáng kể tác động của dịch bệnh. Việc chọn lọc bộ gen hứa hẹn sẽ cải thiện khả năng chống lại các bệnh khác, cũng như hiện đang được thực hiện bởi Benchmark Genetics.

Đại dịch vi-rút toàn cầu ở tôm

Bệnh do vi-rút hội chứng đốm trắng gây ra thiệt hại hàng tỷ đô la cho những người chăn nuôi tôm trên toàn thế giới. Căn bệnh này lây lan nhanh chóng và các biện pháp phòng ngừa lây lan đã được chứng minh là không hiệu quả.

Hệ thống miễn dịch bẩm sinh

Các loài giáp xác không có trí nhớ miễn dịch và do đó việc tiêm vắc xin để tăng cường phản ứng miễn dịch đã hạn chế sự thành công chống lại vi rút. Kích thích hệ thống miễn dịch bẩm sinh cho thấy một số triển vọng nhưng cho đến nay vẫn chưa được chứng minh trên thực địa. Chúng ta biết rằng một số loài động vật vốn có khả năng chống lại hoặc chống chịu với vi rút tốt hơn những loài khác, nhưng chúng ta vẫn chưa thấu hiểu được cơ chế cụ thể tạo nên những sự khác biệt này. Có thể nhân giống những động vật có sức đề kháng cao hơn đối với WSSV thông qua quá trình chọn lọc họ thông thường, nhưng tiến độ thực hiện còn chậm. Ngành công nghiệp rất cần có những giải pháp hữu hiệu hơn để ngăn chặn tình trạng cá chết hàng loạt do mầm bệnh dữ tợn này gây ra.

Chọn lọc bộ gen

Chọn lọc bộ gen là một phương pháp luận gần đây, ban đầu được phát triển để cải thiện vật nuôi bằng cách sử dụng công nghệ giải trình tự DNA mới nhất. Các nhà khoa học nghiên cứu về nhân giống và di truyền học tại Nofima đã làm việc với Benchmark Genetics về những công nghệ này trên tôm thẻ chân trắng (L. vannamei). Thay vì dựa vào mối quan hệ phả hệ để ước tính giá trị nhân giống của các cá thể mà chúng tôi đã sử dụng dữ liệu trình tự DNA để ước tính mối quan hệ di truyền giữa các cá thể tại hàng chục nghìn vị trí trong toàn bộ hệ gen của sinh vật. Công nghệ này cung cấp cho chúng tôi một phương tiện chính xác hơn để dự đoán giá trị nhân giống của tôm bố mẹ có tiềm năng trong quần thể (được gọi là giá trị nhân giống di truyền trong trường hợp này).

Ưu điểm chính của chọn lọc bộ gen so với phương pháp nhân giống chọn lọc truyền thống đối với một đặc điểm như kháng bệnh do vi rút thì nó cho phép chúng tôi dự đoán chính xác hơn những vật lai nào có kiểu gen đề kháng tổng thể tốt nhất mà không tiếp xúc bản thân các ứng viên vật lai với mầm bệnh.

Ứng dụng đầu tiên nhằm cải thiện di truyền học của động vật giáp xác

Trong dự án nghiên cứu GenomResist do Hội đồng Nghiên cứu Na Uy tài trợ, chúng tôi đã kiểm tra mức độ hiệu quả của việc chọn lọc bộ gen để cải thiện khả năng kháng lại virut hội chứng đốm trắng ở tôm thẻ chân trắng.

Nofima và Benchmark đã thiết lập một thí nghiệm sử dụng hai quần thể gốc do Benchmark Genetics Colombia thực hiện, một quần thể đã được nhân giống chọn lọc hàng loạt qua nhiều thế hệ để có khả năng kháng lại vi rút hội chứng đốm trắng cao, quần thể còn lại chủ yếu được nhân giống chọn lọc để có tốc độ tăng trưởng nhanh chóng. Những con vật này được tách ngẫu nhiên thành hai nhóm: một quần thể thử nghiệm đã được cho thử thách với vi rút và một quần thể ứng viên tôm bố mẹ được nuôi trong điều kiện an toàn sinh học cao.

Chúng tôi đã đạt được mức độ bao phủ mạnh mẽ ở mọi vị trí trên bộ gen của tôm, để giúp chúng tôi chọn lọc bộ gen có độ chính xác cao bằng cách biên soạn một loạt các xét nghiệm DNA (nucleotide đơn đa hình), bao gồm những xét nghiệm được phát hiện gần đây đã được Benchmark Genetics triển khai như một phần của một dự án khác. Dữ liệu và các mẫu vật dùng để kiểm tra DNA được thu thập từ các cá thể trong cả hai quần thể. Thông tin về khả năng sống sót của tôm sau bài thử nghiệm thử thách với vi rút được kết hợp với dữ liệu mối quan hệ của bộ gen từ thử nghiệm DNA và được sử dụng để dự đoán các giá trị nhân giống di truyền về khả năng sống sót của từng cá thể tôm bố mẹ (những con tôm không được cho tiếp xúc với vi rút).

Một túi tinh trùng được lấy để thụ tinh nhân tạo với một con tôm cái trưởng thành. Ảnh: Nick Robinson, Nofima

Sau đó, chúng tôi đã chọn lọc và phối giống tôm bố mẹ để tạo ra hai quần thể tôm khác nhau, một quần thể có giá trị nhân giống ước tính về bộ gen cao và một quần thể có giá trị nhân giống ước tính về bộ gen thấp. Tỷ lệ sống sót của hai quần thể này (và tôm con được sinh ra từ đàn bố mẹ được giao phối “ngẫu nhiên”) đã được so sánh trong một thử nghiệm thách thức.

Tăng cường khả năng sống sót

Kết quả đã chứng minh rằng tỷ lệ sống sót trung bình của các họ tôm tăng từ 38% lên 51% chỉ sau một thế hệ chọn lọc bộ gen có sức đề kháng cao chống lại vi rút hội chứng đốm trắng.

Tỷ lệ phần trăm tử vong tích lũy được lập biểu đồ qua các ngày trong thử nghiệm đối với động vật trong các quần thể có giá trị nhân giống di truyền cao (hình tròn khép kín), ngẫu nhiên (hình vuông mở) và thấp (hình tam giác mở). Ảnh: Nofima

Những gợi ý dành cho ngành sản xuất tôm

Sự hợp tác của chúng tôi đã chứng minh rằng có thể đạt được mức độ cải thiện di truyền tương đối cao đối với khả năng sống sót chống lại vi rút hội chứng đốm trắng ở tôm thẻ chân trắng chỉ sau một thế hệ chọn lọc bộ gen và đã chỉ ra rằng chọn lọc bộ gen có thể được sử dụng để cải thiện tỷ lệ sống sót đến các mức thương mại phù hợp dành cho ngành công nghiệp. So với các phương pháp nhân giống chọn lọc thông thường để kháng bệnh thì chọn lọc bộ gen nhạy hơn đáng kể trong việc dự đoán và có khả năng sử dụng tốt hơn thông tin di truyền cơ bản ảnh hưởng đến sức đề kháng. Giống như tác dụng của việc tiêm phòng cho các thành viên trong quần thể, chúng tôi kỳ vọng rằng khả năng miễn dịch cao ở những quần thể khỏe mạnh nhất sẽ có “tác dụng miễn dịch bầy đàn” bởi vì những con vật có sức đề kháng cao sẽ không còn lây nhiễm cho những con vật khác. Sức ép của chất tiêm chủng có thể thấp hơn trong các ao nuôi thương phẩm so với khi chúng được sử dụng để thử nghiệm trong các bể nuôi của chúng tôi và các họ khỏe mạnh nhất trong quần thể có giá trị nhân giống di truyền học cao của chúng tôi cho thấy tỷ lệ sống sót trên 80%. Các nhà nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng mức độ sống sót 70% là đủ để kiểm soát một bệnh vi rút khác (do vi rút hội chứng taura gây ra) ở tôm.

Bằng cách sử dụng phương pháp chọn lọc bộ gen, chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể tăng nhanh khả năng kháng bệnh ở tôm thẻ chân trắng. Benchmark Genetics hiện sử dụng công cụ này để cung cấp cho những nông dân các quần thể tôm có thể tồn tại khi xuất hiện vi rút hội chứng đốm trắng. Phương pháp chọn lọc bộ gen cũng hứa hẹn sẽ cải thiện các đặc điểm kinh tế quan trọng khác ở tôm và các loài thủy sản khác. Nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp chọn lọc bộ gen có thể bằng một số cách thức nào đó giải quyết được vấn đề trị giá hàng tỷ đô la này đối với ngành tôm trong tương lai.