Chọn lọc khả năng kháng bệnh trên tôm thẻ chân trắng Ấn Độ

Kết quả hiện tại của một chương trình nhân giống chọn lọc được ứng dụng tại Ai Cập

Tôm thẻ chân trắng Ấn Độ (tên khoa học: Fenneropenaeus indicus) là loài quan trọng trong ngành nuôi trồng thủy sản của Ai Cập, loài tôm này đang bị ảnh hưởng tiêu cực từ một số bệnh chính. Một số chương trình chọn lọc nhân giống đã thành công trong việc cải thiện khả năng kháng bệnh và chống lại các mầm bệnh đặc trưng, và nó chỉ ra rằng sự cải tiến các gen có khả năng đề kháng một vài loại bệnh là khả thi.

Tuy nhiên, để thực hiện tối ưu sự chọn lọc nhằm cải thiện khả năng kháng bệnh trong một chương trình nhân giống, thì nghiên cứu kỹ lưỡng xem liệu có các tương quan có ý nghĩa về mặt di truyền giữa khả năng kháng bệnh và các đặc điểm quan trọng khác trong mục tiêu nhân giống hay không là điều quan trọng.

Chọn lọc cho khả năng kháng bệnh là một phương pháp bền vững cho phát triển ngành nuôi trồng thủy sản, bằng cách cung cấp nhiều hơn những đặc điểm kháng bệnh trên vật nuôi. Đã có nhiều tài liệu dẫn chứng rằng có một sự biến dị di truyền bổ sung lớn trong khả năng đề kháng các bệnh thông thường trong nuôi trồng thủy sản. Các chương trình nhân giống hiệu quả  trên tôm cần phải bao gồm cả khả năng kháng bệnh qua quá trình chọn lọc.

Công trình nghiên cứu của chúng tôi đã thực hiện sự chọn lọc nhằm tăng cường khả năng kháng bệnh, như một phần của chương trình chọn lọc tôm thẻ chân trắng Ấn Độ được thực hiện tại một trang trại nuôi tôm cá nhân ở AL Dibah Triangle Zone (DTZ), Ai Cập. Nghiên cứu dựa trên các thí nghiệm kiểm tra gây cảm nhiễn được kiểm soát chặt chẽ mà ở đó, tôm từ mỗi hộ sản xuất trong trung tâm nhân giống được cho gây nhiễm với mầm bệnh như WSSV, IHHNV và EMS thông qua các vật  mang mầm bệnh sống chung.

Các mục tiêu chung của dự án - được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học & Phát triển Công nghệ (STDF), Ai Cập được cấp theo số hiệu 5561- là để phát triển một chương trình chọn lọc nhằm tăng cường khả năng đề kháng đối với các bệnh chính trên tôm thẻ chân trắng ấn độ; nghiên cứu mức độ biến dị di truyền khả năng kháng lại nhóm bệnh WSSV, IHHNV và EMS bởi các thí nghiệm cảm nhiễm trong điều kiện nuôi thương phẩm, và phát triển chỉ một giống đa năng thay vì một số giống đặc biệt chỉ chuyên cho các môi trường đặc biệt (ví dụ chỉ kháng một bệnh cụ thể).

Chúng tôi hi vọng nghiên cứu sẽ mang lại những lợi ích kinh tế trực tiếp cho nông dân nuôi tôm, thông qua giảm những thiệt hại do bùng phát dịch bệnh trên tôm. Ở đây chúng ta cùng xem xét một số hoạt động chính của dự án kể từ cuối năm 2013.

Hệ thống sử dụng cho quá trình chọn lọc giống

Phát triển các điểm đánh dấu vùng DNA (microsatellite marker)

Một trong những mục tiêu của chúng tôi là phát triển một hệ thống kiểu gen cho tôm thẻ chân trắng Ấn Độ có khả năng kháng các bệnh khác nhau, bằng cách sử dụng vùng DNA  microsatellite như các vị trí đánh dấu. Hệ thống này cuối cùng sẽ được sử dụng để thay đổi kiểu gen bố mẹ của các loài này để kiểm soát sự đa dạng di truyền trong nhóm.

Các điểm đánh dầu và dữ liệu kiểu gen sẽ được sử dụng chủ yếu cho 4 mục đích sau: (1) so sánh tính đa dạng di truyền của cá thể bố mẹ trong các quẩn thể tôm và tính toán sự đa dạng di truyển giữa các quần thể (ví dụ, Fst), (2) giám sát sự thay đổi liên tục ở tần số Alen trong đàn cá thể bố mẹ khép kín. (3) xác định sự phân huyết và đồng huyết trong đàn bố mẹ, (4) đăng ký quyền sở hữu trí tuệ.

Trong giai đoạn I, 100 đoạn mồi được thiết kế từ các chuỗi chỉ DNA microsatellite của tôm thẻ chân trắng Ấn Độ F. indicus. Để đảm bảo tính tối ưu và đa hình trong giai đoạn hai, 41 đoạn mồi đã được thí nghiệm bước đầu. Hiện nay, 21 cặp mồi đã được tối ưu hóa và sử dụng khuếch đại các microsatellite trong các cá thể ở giai đoạn I. Đến nay, 9 trong số các locus này đã chứng tỏ tính đa hình, điều này cung cấp thông tin hữu ích và sẽ được sử dụng thường xuyên trong cấu trúc kiểu gen. Sự đa hình trong phần còn lại của các locus chưa thể xác định rõ vì chúng vẫn con đang được phân tích trong polyacrylamide gel. Nếu cần thiết, nhiều locus sẽ được thêm vào bản gốc 21 từ 41 đoạn mồ đã được lựa chọn trước đó. Hoàn thành “chọn lọc” locus được sử dụng trong xác định kiểu gen là mục tiêu đến cuối năm 2016.

Chủng đặc biệt cho các môi trường

Mục đích ban đầu là sản xuất một chủng đáp ứng tất cả các mục tiêu, cải thiện giống tôm thẻ chân trắng Ấn Độ, nhưng chúng tôi đã phát triển mục tiêu của mình và tự đưa chính chúng tôi vào 2 hệ thống nuôi rất khác nhau, thâm canh và bán thâm canh. Sự chú trọng vào môi trường thâm canh gợi ý rằng nhiều chủng tôm sẽ phát triển toàn bộ vòng đời ở mật độ cao mà không có thức ăn tự nhiên (trừ các biofloc) và, có thể là, không có vài mầm bệnh được thấy trong ao. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn chú tâm vào hệ thống nuôi bán thâm canh trong môi trường có thức ăn tự nhiên, động vật ăn thịt và không gian cho các mối tương tác.

Có thể có sự đánh đổi giữa những đặc điểm có ảnh hưởng đến sự tăng trưởng và tỉ lệ sống của vật nuôi trong hai môi trường này. Mặc dù chưa có bất cứ bằng chứng về sự đánh đổi trong tôm hoặc cá, mà chỉ tìm thấy ở động vật khác. Khả năng đánh đổi giữa tăng trưởng và kháng bệnh ở một trong hai hoặc cả hai môi trường vẫn đang là một câu hỏi mở.

Vì vậy, chương trình di truyền sẽ chỉ phát triển một chủng cho hai thế hệ đầu tiên cho đến tháng Giêng 2016. Trong nửa cuối năm nay, thông tin này cho phép chúng tôi đưa ra quyết định bao nhiêu chủng sẽ được phát triển sau đó. Thông tin cần thiết bao gồm hồ sơ tăng trưởng và sống sót được ghi lại từ các cá thể có mối quan hệ đồng huyết với nhau, và thông tin tương tự sử dụng cho “chọn lọc”. Việc thu thập thông tin phải được tiến hành thường xuyên trong bất cứ giai đoạn nào của cả chương trình di truyền.

Cân bằng cường độ chọn lọc giữa tăng trưởng và khả năng sống sót

Trong năm đầu tiên, chúng tôi đã làm việc trên cường độ chọn lọc cân bằng giữa sinh trưỏng và khả năng kháng các bệnh WSSV, IHHNV, và EMS. Nhưng gần đây, chúng tôi đã lựa chọn tỉ lệ tương đối tương ứng là 70:30. Sự cân bằng sẽ đạt được bằng cách điều chỉnh sự nghiêm ngặt giữa chọn lọc tăng trưởng và gây cảm nhiễm bệnh (WSSV, IHHNV, EMS), và bằng cách bỏ qua hoàn toàn gây cảm nhiễm trong một số chủng được lựa chọn hoặc một nhóm họ.

Các quyết định về việc có hay không gây cảm nhiễm bất kỳ nhóm cụ thể nào của vật nuôi có thể dễ dàng thực hiện ngay bởi người quản lý dự án di truyền nếu hồ sơ lưu trữ được cập nhật. Phân tích về khả năng đánh đổi giữa tăng trưởng và sự sống sót được thực hiện trong suốt quá trình xem xét chính trong năm 2015 khi chương trình chọn lọc được sửa đổi.

Kết hợp cải thiện bố mẹ vào hệ thống sản xuất

Kế hoạch đầu năm 2014 là tạo ra trong mỗi “họ” của những cá thể con cháu từ 4 cá thể đực cùng bố mẹ giao phối với 4 cá thể cái cùng bố mẹ khác. Cường độ chọn lọc về sống sót trong năm 2015 đã giảm xuống và hiện nay tăng sự chú ý vào sự bảo vệ đàn bố mẹ khỏi sự vi phạm bản quyền. Với những lý do này, cách tiếp cận mới của chúng tôi là một hệ thống nhân giống cùng họ, trong đó chỉ có một cá thể đực và một cá thể cái (không phải 4 của mỗi) được sử dụng để sản xuất từng “họ” mà trong đó sự chọn lọc diễn ra. Một tôm đực từ dòng di truyền đực và một tôm cái từ dòng di truyền cái trong chương trình di truyền sẽ được giao phối cho một dòng sinh sản.

Nhược điểm của quyết định này là năng suất sản xuất tôm giống PL sẽ luôn là một thế hệ với cùng năng suất của dòng được chọn lọc. Hoạt động sản xuất sẽ được cải thiện ở mức tương tự như dòng được chọn lọc với độ trễ một thế hệ.

Sơ đồ di truyền và quy trính sản xuất

Bảo vệ di truyền chống lại sự ăn cắp bản quyền

Ban đầu, chúng tôi nghĩ rằng việc giữ lợi thế trong cạnh tranh bằng sản phẩm PL chất lượng hơn mỗi năm sẽ là đủ sự bảo vệ cho công việc của chúng tôi, ít nhất là cho đến khi có một hệ thống nhận dạng dựa trên microsatellite được đưa ra. Bây giờ có vẻ như một dòng cải tiến có thể bị ăn cắp nhanh như chúng ta có thể phát triển nó. Vì vậy, hệ thống sản xuất đã được điều chỉnh để bất kỳ sản phẩm PL cũng có thể được sử dụng như bố mẹ sẽ sinh ra các đàn con đồng huyết đồng đều  F = 0,125 tương đương với việc giao phối nửa đồng huyết (half-sib).

Sự sụt giảm năng suất trong giao phối cận huyết là khoảng 20% dưới các điều kiện căn thẳng từ sản xuất thủy sản. các thế hệ tiếp theo của bố mẹ bị ăn cắp sẽ có một trung bình F=0,125; và như một thách thức nữa, sự giao phối cận huyết sẽ tạo ra sự khác nhau giữa các cá thể và các nhóm, làm cho hiệu suất nuôi thương phẩm không thể dự đoán trước được. Bảo vệ di truyền sinh học chống lại ăn cắp bản quyền là lý do chính giải thích vì sao sản xuất PL nuôi thương phẩm sẽ chậm hơn một năm so với PL trong các chương trình di truyền.

Bằng chứng từ các microsatellite marker lai cận huyết giữa các tôm nuôi và sự bùng phát dịch bệnh tôm ở Ai Cập

Sự khủng hoảng về dich bệnh mà ngành tôm ở Ai Cập phải đối mặt là kết quả của sự tương tác giữa các hoạt động nhân giống cận huyết, sự hiện diện của các mầm bệnh và tính nhạy cảm của những cá thể mang bệnh và áp lực từ môi trường. Sự gia tăng tính cận huyết đã thúc đẩy tỷ lệ mắc bệnh khác nhau bao gồm cả WSSV. IHHNC, YHV và EMS.

Chúng tôi bắt đầu một chương trình nhân giống trong năm 2013 cho sự chọn lọc dòng kháng bệnh trên tôm thẻ chân trắng Ấn Độ ở Ai Cập như một chương trình nhân giống thương mại áp dụng để cản thiện năng suất và lợi nhuân trong ngành nuôi tôm nước này. Vào thời điểm đó, chỉ có một phần quần thể tôm đóng góp gen di truyền cho thế hệ sau, và người nuôi tôm đã cho phối giống các tôm có họ hàng với nhau và sử dụng lại cận huyết.

Điều này làm tăng mức độ giao phối cận huyết qua nhiều thế hệ, và có thể nhận thất bại ở một số đặc điểm như khả năng kháng bệnh, sinh trưởng và sinh sản. Do đó, trong chương trình nhân giống kháng bệnh và tăng trưởng trên tôm thẻ chân trắng Ấn Độ, chúng tôi thường xuyên theo dõi và tính toán các tác động của giao phối cận huyết và cân bằng thích hợp cho sự “chọn lọc”.Các Microsatellite marker và phả hệ đều được sử dụng để đánh giá đa dạng di truyền và ảnh hưởng của quy mô quần thể. Sử dụng 10 Locus, quần thể tôm được chọn lọc qua 3 thế hệ cho thấy một sự suy giảm trong biến dị (khoảng 15%) và chỉ số đa dạng Alen (52-93%), so với quần thể tự nhiêu (P<0,05). Ước tính ảnh hưởng của quy mô quần thể dựa

Trên sự suy giảm microsatellite từ 46,5-77,0% trong các quần thể nuôi cấy (P<0,05), so với các quần thể hoang dã. Làm việc trực tiếp với các bên liên quan đã giúp tăng cường phổ viến các kiến thức và nhận thức.

(Trên) Nguồn cấp cao của sự đa dạng; những đóng góp di truyền của những nguồn đóng góp khác nhau được thể hiện trong màu sắc khác nhau. (Dưới) Gia phả của 4 gia đình rất thuần. Một hình phóng lớn được vẽ lại ở góc dưới bên phải để nhấn mạnh sự tương đồng của nó với các chương trình chống sao chép lậu. Bắt đầu từ dòng dưới cùng của động vật và di chuyển lên, F = 0,38, 0,25. 0,125, 0.0 và 0.05 xấp xỉ.

Chiến lược của chúng tôi để kiểm soát dài hạn giao phối cận huyết trong chương trình nhân giống là sử dụng một số lượng lớn các cá thể bố mẹ trong mỗi thế hệ, và kiểm soát giao phối họ hàng bằng cách áp đặt hạn chế giao phối (sử dụng các microsatellite marker để phân tích phả hệ và lựa chọn cặp giao phối). Các kết quả đã chỉ ra rằng sử dụng các microsatellite marker đưa ra giả thuyết rằng dị hợp tử tại microsatellite locus cũng có tương quan với hệ số cận huyết cá thể. Sự suy giảm biến dị di truyền trong quần thể nuôi chọn lọc do sự thuần hóa, và bằng chứng của sự suy giảm kích thước hiệu quả của quần thể qua các thế hệ của quần thể chọn lọc, được quan sát khi phân tích phả hệ và dữ liệu microsatellite.

Giữ gìn phả hệ là cần thiết để ngăn chặn sự suy giảm kích thước hiệu quả của quần thể và duy trì biến dị di truyền trong các chương trình nhân giống tôm, trong khi đó  microsatellite rất hữu ích để đánh giá sự thay đổi kích thước hiệu quả của quẩn thể. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn cho phép bảo quản các biến dị di truyền cần thiết để tiếp tục cải những tính trạng hiện tại của quần thể hoặc những tính trạng khác có thể cần phải kết hợp trong tương lai.