Cải Thiện Khả Năng Chịu Mặn Ở Cá Rô Phi

Sự khác biệt về khả năng chịu mặn có thể được khai thác trong quá trình phát triển các giống lai.

Trước tình trạng ngày càng khan hiếm nguồn nước ngọt cho nuôi trồng thủy sản nói chung và nuôi cá rô phi nói riêng, đặc biệt tại các vùng khô hạn như Israel, việc phát triển các giống cá có khả năng chịu mặn cao được xem là giải pháp quan trọng nhằm gia tăng sản lượng cá rô phi toàn cầu thông qua việc mở rộng phạm vi sản xuất sang nhiều khu vực khác nhau trên thế giới.

Trong bối cảnh đó, các tác giả đã tiến hành rà soát và đánh giá lại chủ đề này, với mục tiêu rút ra những bài học kinh nghiệm từ thực tiễn trước đây liên quan đến quản lý quy trình nuôi và dinh dưỡng, cũng như các khía cạnh về sinh lý và di truyền học.

Khả năng chịu mặn

Việc duy trì cân bằng muối và nước trong phạm vi ổn định đóng vai trò then chốt đối với sự sống của các sinh vật đa bào, trong đó có cá có xương sống. Khả năng chịu mặn là thuật ngữ dùng để mô tả mức độ thích nghi cũng như hiệu quả sinh trưởng tổng thể của cá trong môi trường nước mặn. Đặc tính này là kết quả tổng hợp của nhiều yếu tố định lượng, bao gồm chuyển hóa, tốc độ tăng trưởng, cơ chế điều hòa thẩm thấu, đáp ứng miễn dịch và năng lực sinh sản. Sự khác biệt về khả năng chịu mặn giữa các loài là cơ sở quan trọng để chọn lọc những loài thích nghi tốt với độ mặn cao, đồng thời phục vụ cho việc lai tạo và phát triển các giống cá chịu mặn.

Tế bào clorua

Tế bào clorua, hay còn gọi là tế bào giàu ty thể, nằm trong biểu mô mang và đóng vai trò then chốt trong quá trình điều hòa thẩm thấu ở tất cả các loài cá. Các tế bào này có diện tích bề mặt lớn ở cả cực đỉnh và cực đáy, nơi tập trung nhiều protein vận chuyển ion quan trọng như Na⁺/K⁺-ATPase và bộ đồng vận chuyển Na⁺/K⁺/Cl⁻.

Nhiều nghiên cứu, chủ yếu thực hiện trên loài Oreochromis mossambicus, đã chỉ ra rằng khi cá đối mặt với sự thay đổi độ mặn, số lượng tế bào clorua trong mang tăng lên đáng kể, kèm theo sự gia tăng hoạt động vận chuyển ion. Đồng thời, sự khác biệt về loại protein vận chuyển ion cũng như vị trí phân bố trên màng tế bào clorua được ghi nhận rõ rệt giữa cá sống trong môi trường nước ngọt và cá sống trong môi trường nước mặn.

Hormone, điều hòa thẩm thấu

Các hormone thuộc hệ thần kinh – nội tiết giữ vai trò then chốt trong việc kiểm soát các cơ chế điều hòa thẩm thấu. Nhiều nghiên cứu chuyên sâu về các con đường nội tiết liên quan đến quá trình này đã làm rõ tầm quan trọng của prolactin (PRL) và hormone tăng trưởng (GH) trong điều hòa thẩm thấu.

Quá trình sinh trưởng và phát triển của sinh vật được điều phối bởi sự tương tác giữa các yếu tố môi trường, sinh lý và di truyền. Việc điều hòa thẩm thấu tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể, thường chiếm khoảng 25–50% tổng năng lượng trao đổi chất, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa năng lực điều hòa thẩm thấu và khả năng sinh trưởng. Mối liên hệ này có thể xuất phát từ việc cả hai quá trình đều chịu sự chi phối của các hormone tương tự, đặc biệt là PRL và GH. Thực tế, các nghiên cứu đã chứng minh rằng sự khác biệt di truyền trong gen PRL của cá rô phi có liên quan đến sự khác nhau về mức độ biểu hiện gen cũng như tốc độ sinh trưởng trong môi trường nước mặn.

Công cụ gen

Sinh học chức năng gen – một lĩnh vực của sinh học phân tử nhằm làm sáng tỏ vai trò của DNA ở cấp độ gen, bản sao RNA và sản phẩm protein cùng với các phương pháp protein học, tập trung nghiên cứu cấu trúc và chức năng của protein, đã trở thành những công cụ quan trọng giúp hiểu sâu hơn cơ sở phân tử của quá trình thích nghi với môi trường.

Trong nghiên cứu này, các bản sao gen mã hóa các chất vận chuyển ion, enzyme, hormone và các thành phần tham gia tín hiệu stress tế bào đã được phân tích tại não, mang, ruột và thận của cá rô phi Mozambique (Oreochromis mossambicus) và cá rô phi cằm đen (Sarotherodon melanotheron). Kết quả cho thấy phần lớn các gen này phản ứng nhanh với điều kiện stress, với mức biểu hiện cao nhất ghi nhận trong khoảng từ 2-8 giờ sau khi cá được chuyển sang môi trường nước biển.

Phân tích các con đường tín hiệu của những gen mới được xác định cho thấy hơn một nửa số gen đáp ứng stress thẩm thấu cấp tính có sự tương tác chặt chẽ trong mạng lưới tín hiệu điều hòa phản ứng stress tế bào.

Các phương pháp tiếp cận khả năng chịu mặn

Khả năng chịu mặn của cá rô phi có thể được nâng cao thông qua nhiều biện pháp khác nhau, bao gồm tối ưu hóa quy trình thích nghi môi trường và bổ sung muối vào khẩu phần dinh dưỡng. Bên cạnh đó, việc khai thác sự đa dạng di truyền trong và giữa các loài cho phép phát triển các dòng cá chịu mặn bằng cách lai tạo giữa những loài có tốc độ sinh trưởng nhanh nhưng khả năng chịu mặn hạn chế, như cá rô phi, với các loài có khả năng chịu mặn cao hơn, chẳng hạn cá rô phi Mozambique.

Ngoài lai tạo, chọn giống cũng là một hướng tiếp cận hiệu quả để cải thiện khả năng chịu mặn. Kết quả từ một số nghiên cứu và dự án tiên phong cho thấy tồn tại sự biến dị di truyền cộng tính đáng kể liên quan đến tốc độ tăng trưởng và tỷ lệ sống trong môi trường mặn, những đặc điểm này có thể được khai thác hiệu quả thông qua các chương trình chọn giống có hệ thống.

Cuối cùng, việc ứng dụng các phương pháp nghiên cứu hệ gen cùng với các kỹ thuật sinh học phân tử hiện đại mở ra cơ hội xác định các gen và protein đặc hiệu liên quan đến khả năng chịu mặn. Những yếu tố này có thể hoạt động mạnh ở các loài chịu mặn tốt nhưng lại vắng mặt hoặc biểu hiện yếu ở các loài kém chịu mặn, hoặc được cảm ứng khi cá chịu stress do độ mặn, từ đó hỗ trợ hiệu quả cho công tác cải thiện giống trong tương lai.

Gen Prolactin 1

Một trong những gen quan trọng được xác định là prolactin 1, đóng vai trò then chốt trong quá trình thích nghi của các loài sinh vật biển khi chuyển sang môi trường nước ngọt. Gen này giúp điều hòa cân bằng thẩm thấu bằng cách làm giảm hoạt tính của enzyme Na⁺/K⁺-ATPase, từ đó làm tăng áp suất thẩm thấu của huyết tương. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự đa hình vi vệ tinh trong vùng khởi động của gen prolactin 1 ở cá rô phi có mối liên hệ chặt chẽ với sự khác biệt trong mức độ biểu hiện của gen này cũng như phản ứng tăng trưởng của cá khi sống trong môi trường nước mặn.

Cụ thể, cá mang kiểu gen đồng hợp tử với alen dài có tốc độ tăng trưởng chậm hơn rõ rệt ở độ mặn 16 ppt, với khối lượng cơ thể chỉ đạt khoảng một nửa so với cá dị hợp tử và cá đồng hợp tử mang alen ngắn. Ngược lại, trong điều kiện nước ngọt, không ghi nhận sự khác biệt đáng kể về tốc độ tăng trưởng giữa ba kiểu gen.

Di truyền, môi trường

Gần đây, các tác giả đã tái đánh giá mối liên hệ này trên chín dòng F2 của cá lai O. mossambicus × O. niloticus. Cả cá bố và cá mẹ đều ở trạng thái dị hợp tử với các alen khác nhau: CA₃₃ và CA₃₈ ở O. mossambicus, CA₃₀ và CA₃₅ ở O. niloticus, tương ứng tạo ra các sản phẩm PCR có kích thước 253, 263, 247 và 257 bp. Kết quả cho thấy mối liên hệ này được xác nhận ở ba trong chín dòng F₂ khi nuôi trong nước mặn, trong khi sáu dòng không xuất hiện sự phân ly còn lại thuộc về một mùa sinh sản khác.

Một mô hình tăng trưởng cải thiện tương tự cũng được ghi nhận đối với các kiểu gen mang alen ngắn hơn có nguồn gốc từ O. niloticus, mặc dù O. mossambicus vốn được xem là loài có khả năng chịu mặn tốt hơn. Trong hai trên ba dòng này, các cá thể cùng huyết thống được nuôi song song trong nước ngọt; tuy nhiên, không phát hiện mối tương quan giữa tính đa hình di truyền và tốc độ tăng trưởng trong điều kiện này.

Cụ thể, ở hai dòng cá nói trên, các cá thể mang tổ hợp alen 247/253 thể hiện tốc độ tăng trưởng cao nhất trong nước mặn nhưng lại thấp nhất trong nước ngọt (Hình 1). Ảnh hưởng của yếu tố này chỉ giải thích khoảng 13–15% phương sai kiểu hình của tốc độ tăng trưởng (P < 0,05).

Các tác giả cho rằng biến dị này nhiều khả năng không phải là yếu tố đóng góp chủ yếu vào tổng biến dị di truyền liên quan đến khả năng chịu mặn, đồng thời sự khác biệt về tăng trưởng trong môi trường nước mặn có thể chịu tác động đáng kể từ các yếu tố môi trường. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng không ghi nhận mối liên hệ rõ ràng giữa tính đa hình ở vùng khởi động của gen prolactin 1 và mức độ biểu hiện của gen này.

Kết luận

Một số gen có sự khác biệt rõ rệt về mức độ biểu hiện ở cá rô phi khi sống trong môi trường nước mặn so với nước ngọt đã được xác định, bao gồm hemoglobin beta, ATPase vận chuyển Ca²⁺ qua màng tế bào và pro-opiomelanocortin – các gen này đều tăng biểu hiện trong điều kiện nước mặn, trong khi beta-actin lại giảm biểu hiện. Những gen này được xem là các ứng viên tiềm năng liên quan đến khả năng chịu mặn của cá rô phi.

Bên cạnh đó, transferrin, một glycoprotein liên kết sắt có vai trò quan trọng trong hệ miễn dịch, cũng cho thấy mức biểu hiện tăng khoảng 85% ở cá rô phi nuôi trong nước mặn so với nước ngọt. Điều này cho thấy transferrin, hoặc các gen có liên kết chặt chẽ với nó, có thể tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào cơ chế thích nghi và chịu đựng môi trường nước mặn.

Tóm lại, các nghiên cứu về cơ sở phân tử của cơ chế điều hòa thẩm thấu tại mang, thận, ruột và não đã cung cấp nhiều hiểu biết quan trọng về hệ gen, mở ra triển vọng cho các nghiên cứu di truyền nhằm đánh giá sự biến dị trong và giữa các loài về khả năng chịu mặn. Khi các gen liên quan được xác định, việc khảo sát các đa hình di truyền trong cả quần thể nuôi và quần thể tự nhiên sẽ trở nên khả thi.

Những phát hiện mới về các locus tính trạng định lượng hoặc các gen trực tiếp tham gia vào cơ chế chịu mặn có thể thúc đẩy việc áp dụng các phương pháp chọn giống có hỗ trợ chỉ thị phân tử hoặc hỗ trợ gen cho tính trạng này ở cá rô phi trong tương lai. Hiệu quả của các phương pháp này càng được tăng cường trong bối cảnh bản thảo đầu tiên của bộ gen cá rô phi đã được công bố.

Có hai định hướng then chốt nhằm nâng cao khả năng chịu mặn. Thứ nhất, việc nghiên cứu và làm rõ các con đường sinh hóa cùng mạng lưới gen tham gia vào quá trình điều hòa thẩm thấu sẽ giúp hiểu sâu hơn về biểu hiện kiểu hình chịu mặn cũng như cơ sở di truyền của đặc tính này. Thứ hai, việc sàng lọc các quần thể cá thuần hóa và quần thể tự nhiên nhằm phát hiện các biến dị di truyền trong những con đường sinh hóa liên quan sẽ làm sáng tỏ nguyên nhân của sự khác biệt kiểu hình được quan sát.

Những hiểu biết thu được có thể được ứng dụng hiệu quả trong chương trình chọn giống cá rô phi, hướng tới việc phát triển các dòng cá có khả năng sinh trưởng và thích nghi tốt trong môi trường nước mặn.

Theo Avner Cnaani, Ariel Velan, Gideon Hulata

Nguồn: https://www.globalseafood.org/advocate/improving-salinity-tolerance-tilapia/

Biên dịch: Nguyễn Thị Quyên – Tôm Giống Gia Hoá Bình Minh

Xem thêm:

• Axit Hữu Cơ Dạng Vi Nang Hỗ Trợ Nuôi Tôm
• Đánh Giá Thức Ăn Có Nguồn Gốc Từ Nannochloropsis Cho Cá Rô Phi
• Đâu Là Giải Pháp Thay Thế Khả Thi Cho Việc Cắt Bỏ Cuống Mắt Tôm?