Nghiên cứu đa dạng của họ bọ cánh cứng ăn lá (chrysomelidae) và mối qjuan hệ của chúng với thực vật trong điều kiện môi trường vườn quốc gia núi chúa, tỉnh ninh thuận bằng phương pháp sinh học phân tử ( Luận án tiến sĩ)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.45 MB, 124 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
NGUYỄN THỊ ĐỊNH
NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG CỦA HỌ BỌ CÁNH CỨNG ĂN LÁ
(CHRYSOMELIDAE) VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA CHÚNG VỚI
THỰC VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG CỦA VƯỜN
QUỐC GIA NÚI CHÚA, TỈNH NINH THUẬN, VIỆT NAM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHÂN TỬ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
HÀ NỘI -2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
----------------------------NGUYỄN THỊ ĐỊNH
NGHIÊN CỨU ĐA DẠNG CỦA HỌ BỌ CÁNH CỨNG ĂN LÁ
(CHRYSOMELIDAE) VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA CHÚNG VỚI
THỰC VẬT TRONG ĐIỀU KIỆN MÔI TRƯỜNG CỦA VƯỜN
QUỐC GIA NÚI CHÚA, TỈNH NINH THUẬN, VIỆT NAM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC PHÂN TỬ
Chuyên ngành: Sinh thái học
Mã số: 9 42 01 20
LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. NGUYỄN VĂN SINH
2. TS. JESÚS GÓMEZ-ZURITA
HÀ NỘI - 2018
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trình
bày trong luận án là trung thực. Một số kết quả nghiên cứu đã được tôi công bố riêng
hoặc đồng tác giả, phần còn lại chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám
ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả luận án
Nguyễn Thị Định
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài “Nghiên cứu đa dạng của họ Bọ cánh cứng ăn lá
(Chrysomelidae) và mối quan hệ của chúng với thực vật trong điều kiện môi trường
của Vườn quốc gia Núi Chúa, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam bằng phương pháp sinh học
phân tử”, Tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban lãnh đạo, các
nhà khoa học, cán bộ, chuyên viên của Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật (IEBR),
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Ban lãnh đạo Viện Nghiên cứu de
Biologia Evolutiva (IBE) ở Tây Ban Nha; Ban Giám hiệu Học viện Khoa học và Công
nghệ. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ đó.
Tôi xin chân thành cảm ơn chương trình hợp tác khoa học giữa Viện Hàn Lâm
Khoa học và Công Nghệ Việt Nam và Hội đồng nghiên cứu Quốc Gia Tây Ban Nha,
giai đoạn 2011-2014 đã tài trợ học bổng và kinh phí cho tôi trong quá trình học tập ở
Tây Ban Nha.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới Tổng cục Lâm nghiệp Việt Nam đã cho phép tôi
được làm việc trong VQG Núi Chúa.
Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban Quản lý VQG Núi Chúa đã giúp đỡ, tạo điều
kiện cho tôi trong quá trình thu mẫu ở VQG Núi Chúa.
Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ nghiên cứu trong phòng Sinh thái môi
trường đất (IEBR), Annabela Cardoso và các bạn bè sinh viên trong phòng thí nghiệm
Đa dạng và Tiến hóa côn trùng ăn lá (IBE) đã tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong quá
trình thực hiện luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Văn Sinh (Viện Sinh
thái và Tài nguyên sinh vật), Tiến sĩ Jesús Gómez-Zurita (de Biologia Evolutiva, Tây
Ban Nha) – những người thầy trực tiếp hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi hoàn thành luận
án này.
Cuối cùng tôi chân thành cảm ơn tới chồng tôi là Trịnh Đình Cường, con gái
Trịnh Nguyễn Thu Thủy, con trai Trịnh Bình Minh và gia đình đã động viên, khích lệ,
tạo điều kiện và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án này.
NCS: Nguyễn Thị Định
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................................... ii
MỤC LỤC.............................................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................. vi
DANH LỤC CÁC BẢNG..................................................................................................................... viii
DANH LỤC CÁC HÌNH ........................................................................................................................ ix
MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................1
1.1.
Lý do chọn đề tài .......................................................................................................................1
1.2.
Mục tiêu của đề tài ....................................................................................................................1
1.3.
Nội dung nghiên cứu .................................................................................................................2
1.4.
Đối tượng nghiên cứu................................................................................................................2
1.5.
Phạm vi nghiên cứu...................................................................................................................2
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ......................................................................................2
1.6.1. Ý nghĩa khoa học....................................................................................................................2
1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ...................................................................................................2
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .......................................................................................................3
1.1.
Các vấn đề liên quan đến luận án ..........................................................................................3
1.1.1. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để đánh giá đa dạng sinh học .....................................3
1.1.1.1. Đa dạng sinh học và những vấn đề liên quan ...................................................................3
1.1.1.2. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để tăng tốc độ đánh giá đa dạng sinh học ................6
1.1.2. Sự không đồng nhất của môi trường và ảnh hưởng của nó đến đa dạng sinh học ..........11
1.1.3. Chrysomelidae là đối tượng thích hợp để áp dụng công cụ sinh học phân tử trong đánh
giá đa dạng sinh học và nghiên cứu sự phụ thuộc lẫn nhau trong hệ sinh thái.........................12
1.1.3.1. Tình hình nghiên cứu Chrysomelidae ở Việt Nam ..........................................................14
1.1.3.2. Tình hình nghiên cứu Chrysomelidae trên thế giới ........................................................15
1.2.
Khái quát về điều kiện tự nhiên – kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu ......................16
1.2.1. Vị trí địa lý ............................................................................................................................17
1.2.2. Địa hình ................................................................................................................................17
1.2.3. Khí hậu, thủy văn .................................................................................................................18
1.2.4. Đặc điểm sinh thái thảm thực vật ........................................................................................20
iv
1.2.5. Hệ động, thực vật .................................................................................................................21
Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................................................................................23
2.1.
Phương pháp thu mẫu và phân chia sinh cảnh ở VQG Núi Chúa ...........................................23
2.1.1. Thiết kế và thu thập mẫu vật ...............................................................................................23
2.1.2. Phân chia sinh cảnh trong khu vực thu mẫu ở VQG Núi Chúa........................................27
2.2.
Phương pháp sinh học phân tử: ...............................................................................................27
2.3.
Phương pháp xác định loài Chrysomelidae ........................................................................29
2.4. Phương pháp xác định thức ăn của các loài Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ........................31
2.5.
Đánh giá độ giàu loài tiềm năng của Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ................................31
2.6. Nhóm các phương pháp xác định mối liên quan của Chrysomelidae với điều kiện môi
trường ................................................................................................................................................31
2.6.1. Phân tích biến động của quần xã Chrysomelidae theo không gian...................................31
2.6.2.Phân tích sự sắp xếp hợp quy chuẩn (CCA) để tìm ra nhân tố tác động tới mối liên hệ
giữa Chrysomelidae và thực vật chủ của chúng ...........................................................................31
2.6.3. Đánh giá đa dạng beta của mối tương tác giữa các loài Chrysomelidae và thực vật chủ
của chúng theo độ cao (sinh cảnh) ...............................................................................................32
2.6.4.. Phân tích mô hình của mạng lưới tương tác giữa các loài Chrysomelidae và thực vật chủ
của chúng .......................................................................................................................................33
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ...................................................................................................34
3.1. Phân định vùng chuyển tiếp sinh thái .........................................................................................34
3.2. Đa dạng loài Chrysomelidae thu được ở VQG Núi Chúa ...........................................................35
3.2.1. Đa dạng loài Chrysomelidae thu được ở VQG Núi Chúa dựa trên đặc điểm hình thái ...35
3.2.2. Đa dạng loài Chrysomelidae thu được ở VQG Núi Chúa dựa trên dữ liệu ADN .............43
3.2.3. Tiềm năng đa dạng loài Chrysomelidae đạt được ở VQG Núi Chúa .................................49
3.2.4. Đánh giá độ giàu loài của Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ............................................50
3.3. Thực vật chủ của Chrysomelidae ................................................................................................52
3.4. Sự biến đổi của quần xã Chrysomelidae và thức ăn của chúng theo sự thay đổi độ cao ở VQG
Núi Chúa ............................................................................................................................................62
3.4.1. Cấu trúc của quần xã Chrysomelidae xuyên qua không gian và độ cao ở VQG Núi Chúa
.........................................................................................................................................................62
3.4.1.1. Ảnh hưởng của mô hình “mid-domain” (sự chiếm cứ giữa lãnh thổ) tới Chrysomelidae
ở VQG Núi Chúa ............................................................................................................................62
3.4.1.2. Sự biến động của quần xã Chrysomelidae theo không gian ...........................................64
3.4.2. Sự thay đổi của tương tác giữa Chrysomelidae và thực vật chủ theo sự thay đổi của độ
cao ...................................................................................................................................................71
3.4.2.1 Sự sắp xếp phù hợp với quy chuẩn....................................................................................71
v
3.4.2.2. Đa dạng beta của tương tác Galerucinae và thực vật chủ theo sự thay đổi độ cao ở
VQG Núi Chúa ...............................................................................................................................73
3.4.3. Hoạt động bảo tồn ở VQG Núi Chúa cần chú ý đến sự mất môi trường sống của quần xã
Chrysomelidae ................................................................................................................................79
KẾT LUẬN .............................................................................................................................................80
KIẾN NGHỊ ............................................................................................................................................81
DANH SÁCH TÀI LIỆU TRÍCH DẪN .................................................................................................82
DANH SÁCH CÁC CÔNG BỐ ...........................................................................................................103
PHỤ LỤC..............................................................................................................................................104
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
ADN: Acid deoxyribonucleic
AFLP: Đa hình chiều dài đoạn cắt khuếch đại
ARN: Acid Ribonucleic
bPTP: Mô hình Poisson Tree Processes
Cây “ultrametric”: Cây quan hệ họ hàng mà tất cả chiều dài từ rễ tới đỉnh là bằng nhau
Cây ML: Cây quan hệ họ hàng có khả năng xảy ra nhất
CCA: Phân tích sự sắp xếp hợp quy chuẩn
Chi-sq: Giá trị phân phối khi bình phương
COI: Gen Cytochrome c oxidase subunit I
cpDNA: ADN lục lạp
GenBank: Ngân hàng gen
GMYC: Mô hình Generalized Mixed Yule-Coalescent
Haplotype: Dạng đơn bội
ITS: Vùng sao chép bên trong Ribosome nhân
Loài singleton: Loài chỉ thu được một cá thể
Mmid-domain: Sự chiếm cứ giữa lãnh thổ
p- distance: Khoảng cách cặp so sánh
PCR: Phản ứng khuếch đại gen
RFLP: Đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn
RAPD: Đa hình khuếch đại ngẫu nhiên
SC: Mô hình tiến hóa đồng hồ nghiêm ngặt (Strict clock)
SSR: Lặp lại trình tự đơn giản
ULN: Mô hình tiến hóa đồng hồ tự do thông thường (Unstrict lognomal clock)
VIF: Yếu tố làm tăng sự khác nhau
VQG: Vườn Quốc Gia
βOS: Sự không giống nhau của tương tác hình thành giữa các loài chia sẻ
βrepl: Đa dạng beta của các loài thay thế
vii
βrich: Đa dạng beta của các loài mất đi/tăng lên
βS: Sự không giống nhau trong thành phần loài của quần xã
βsim: Đa dạng beta của thành phần các loài thay thế
βsne: Đa dạng beta của thành phần các loài tạo ổ
βST: Sự không giống nhau của các tương tác do các loài thay thế
βtotal: Đa dạng beta tổng phản ánh cả loài thay thế và loài mất đi/tăng thêm
βWN: Sự không giống nhau của các tương tác trong hai sinh cảnh
GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ
Loài thay thế: Là những loài xuất hiện ở vị trí mới và thay thế loài mất đi ở vị trí
cũ (số loài thay thế bằng số loài mất đi).
Loài tạo ổ: Là những loài là tập hợp con của những loài thu được ở vị trí có
nhiều loài hơn.
Loài mất đi: Là loài xuất hiện ở vị trí cũ nhưng lại không xuất hiện ở vị trí mới
Loài tăng thêm: Là loài xuất hiện ở vị trí mới mà vị trí khác không có.
Loài chia sẻ: Là loài giống nhau giữa các vị trí so sánh.
Loài bPTP: Là loài xác định được bằng phương pháp Mô hình Poisson Tree
Processes (bPTP).
Bộ ba mã vạch: Là một phương pháp phân loại sử dụng một đoạn gen ngắn
trong ADN của sinh vật để xác định sinh vật đó là thuộc về một loài riêng biệt.
viii
DANH LỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Tọa độ các vị trí thu mẫu ở VQG Núi Chúa……………………………….25
Bảng 3.1: Đa dạng loài Chrysomelidae trong các tuyến điều tra và theo độ cao ở VQG
Núi Chúa………………………………………………………………………………43
Bảng 3.2: Kết quả phân định loài dựa trên trình tự ADN gen cox1 của Chrysomelidae ở
VQG Núi Chúa theo các thuật toán và mô hình khác nhau …………………………..44
Bảng 3.3: Sự không đồng thuận giữa loài hình thái và loài bPTP của Chrysomelidae ở
VQG Núi Chúa ………………………………………………………………………..45
Bảng 3.4: Dự đoán đa dạng loài Chryromelidae đạt được trong các tuyến thu mẫu,
trong các sinh cảnh và trong toàn bộ khu vực nghiên cứu ở VQG Núi Chúa …….......50
Bảng 3.5: Nhận dạng phân loại học của các trình tự ADN lục lạp psbA-TrnH của thực
vật chủ của các cá thể thuộc phân họ Galerucinae đạt được từ chương trình
BAGpipe........................................................................................................................54
Bảng 3.6: Số cá thể, số trình tự ADN vùng psbA-trnH và số họ thực vật chủ của các
loài thuộc phân họ Galerucinae ở khu vực nghiên cứu ………………………….........59
Bảng 3.7: So sánh cấu trúc của quần xã Chrysomelidae giữa các tuyến thu mẫu ở VQG
Núi Chúa……………………………………………………………………………....65
Bảng 3.8: Kết quả phân tích CCA của riêng từng biến số đến tương tác giữa các loài
Galerucinae và thực vật chủ ở khu vực nghiên cứu…………………………………...73
Bảng 3.9: Sự không giống nhau của quần xã Galerucinae và quần xã thực vật chủ giữa
rừng khô và rừng ẩm ở khu vực nghiên cứu…………………………………………..73
Bảng 3.10: So sánh đặc điểm cấu trúc của mạng lưới tương tác giữa các loài
Galerucinae và thực vật chủ trong hai sinh cảnh khô và ẩm ở khu vực nghiên cứu…..78
ix
DANH LỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Vị trí của gen COXI trong gen ty thể………………………………………..8
Hình 1.2: Sơ đồ VQG Núi Chúa………………………………………………………19
Hình 2.1: Thu mẫu ở khu vực nghiên cứu…………………………………………….24
Hình 2.2: Sơ đồ thu mẫu Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa ………………………….26
Hình 3.1: Mô hình phân bố nhiệt trung bình/năm theo độ cao ở khu vực Núi Chúa….34
Hình 3.2: Mô hình phân bố loài giống nhau và loài đơn nhất dọc theo độ cao ở khu vực
nghiên cứu …………………………………………………………………………….35
Hình 3. 3: Xác định loài dựa trên cây mtADN của Chrysomelidae (loài từ 001 đến 069)
ở VQG Núi Chúa………………………………………………………………………47
Hình 3.4: Xác định loài dựa trên mtADN của Chrysomelidae (các loài từ 070-155) ở
VQG Núi Chúa………………………………………………………………………...49
Hình 3.5: Sự sắp xếp phân loại học của trình tự ADN thức ăn của Galerucinae (loài số
87) theo chương trình BAGpipe……………………………………………………….53
Hình 3.6: Tương tác giữa Galerucinae và thực vật chủ của chúng ở khu vực nghiên cứu
…………………………………………………………………………………………60
Hình 3.7: Mạng lưới tương tác giữa Galerucinae và thực vật chủ ở khu vực nghiên cứu
…………………………………………………………………………………............62
Hình 3.8: Sự thay đổi đa dạng loài alpha của Chrysomelidae dọc theo độ cao ở VQG
Núi Chúa ……………………………………………………………….......................64
Hình 3.9: So sánh đa dạng beta của Chrysomelidae theo không gian ở VQG Núi Chúa
........................................................................................................................................69
Hình 3.10: Phân tích sự sắp xếp hợp quy chuẩn của các biến số tới tương tác giữa các
loài Galerucinae và thực vật chủ ở trong khu vực nghiên cứu………………………...72
Hình 3.11a: Mạng lưới tương tác giữa các loài Galerucinae và thực vật chủ trong hai
sinh cảnh ở VQG Núi Chúa …………………………………………………………..76
Hình 3.11b: Đồ thị tương tác giữa Galerucinae và thực vật chủ trong hai sinh cảnh ở
VQG Núi Chúa…………………………………………………………………...........77
1
MỞ ĐẦU
1.1.
Lý do chọn đề tài
Các quần xã sinh vật không phải là các đơn vị độc lập, mà là những mảnh ghép
của bức tranh môi trường tự nhiên, và có sự phụ thuộc lẫn nhau. Trong đó, quần xã thực
vật có liên quan chặt chẽ đến tính chất vật lý của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, bức
xạ mặt trời…Các nhân tố vật lý này thay đổi theo độ cao, sẽ kéo theo sự thay đổi trong
cấu trúc của quần xã thực vật. Về phần mình, thực vật là thức ăn của nhiều loại côn
trùng, có vai trò quyết định trong sự đa dạng cũng như sự phân bố của chúng. Nghiên
cứu về phản ứng của côn trùng ăn thực vật với sự thay đổi của quần xã thực vật theo độ
cao sẽ giúp chúng ta hiểu biết rõ hơn về mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau trong hệ sinh
thái.
Bọ cánh cứng ăn lá (Chrysomelidae) là một họ lớn nhất trong bộ cánh cứng
(Coleoptera). Thức ăn của Chrysomelidae là thực vật, vì vậy chúng có liên kết chặt chẽ
với thực vật trong toàn bộ đời sống và việc thu bắt mẫu của chúng tương đối đơn giản.
Do đó, Chrysomelidae là nhóm côn trùng phù hợp làm đối tượng cho việc nghiên cứu sự
phụ thuộc của các quần xã sinh vật trong hệ sinh thái.
Vườn Quốc Gia (VQG) Núi Chúa bao gồm diện tích rừng bán khô hạn độc đáo
nhất Việt Nam và quần xã thực vật ở đây có sự thay đổi rõ rệt theo độ cao từ rừng khô
trên đất thấp, qua rừng chuyển tiếp (rừng bán ẩm) tới rừng ẩm thường xanh trên núi cao.
Vì vậy, VQG Núi Chúa là địa điểm lý tưởng để thực hiện nghiên cứu của luận án
Vì tất cả các lý do trên tôi chọn đề tài “Nghiên cứu đa dạng của họ bọ cánh
cứng ăn lá (Chrysomelidae) và mối quan hệ của chúng với thực vật trong điều kiện
môi trường của vườn quốc gia Núi Chúa, tỉnh Ninh Thuận, Việt Nam bằng phương
pháp sinh học phân tử”
1.2.
Mục tiêu của đề tài
Đánh giá sự đa dạng loài và sự biến động theo không gian của họ
Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa.
Xác định thức ăn của các loài họ Chrysomelidae và đánh giá sự thay đổi thức ăn
của chúng theo không gian.
2
1.3.
Nội dung nghiên cứu
Sử dụng bộ ba mã vạch ADN để đánh giá sự đa dạng loài của họ Chrysomelidae
ở VQG Núi Chúa.
Sử dụng bộ ba mã vạch ADN để xác định thức ăn của các loài họ
Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa.
Xác định sự biến đổi thành phần của họ Chrysomelidae và thức ăn của chúng
theo không gian ở VQG Núi Chúa.
1.4.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các loài trong họ Chrysomelidae thuộc bộ cánh cứng
(Coleoptera) và thức ăn của chúng.
1.5.
Phạm vi nghiên cứu
Đề tài đánh giá đa dạng loài và tương tác loài của Chrysomelidae theo không
gian thay đổi từ rừng khô trên đất thấp tới rừng ẩm ở độ cao trên 300 m so với mức
nước biển, trong khu vực khoảng 10 km2 của Vườn Quốc Gia Núi Chúa, nằm trên địa
bàn 02 huyện Ninh Hải và Thuận Bắc, tỉnh Ninh Thuận, phía Nam Việt Nam.
1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.6.1. Ý nghĩa khoa học
Đây là nghiên cứu đầu tiên về quần xã Chrysomelidae ở VQG Núi Chúa. Kết
quả của nghiên cứu cho phép đánh giá sự đa dạng quần xã Chrysomelidae ở VQG Núi
Chúa, khám phá một số loài mới cho khoa học và ghi nhận thực vật chủ của một số
nhóm loài của họ Chrysomelidae.
1.6.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Kết quả của luận án cung cấp thông tin để hiểu rõ hơn về cấu
trúc của đa dạng sinh học và nguy cơ làm mất đa dạng sinh học ở vùng nhiệt đới, từ
đó có thể rút ra những nhận thức có liên quan đến bảo tồn.
3
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Các vấn đề liên quan đến luận án
1.1.1. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để đánh giá đa dạng sinh học
1.1.1.1. Đa dạng sinh học và những vấn đề liên quan
Định nghĩa đa dạng sinh học: Theo Luật Đa dạng sinh học (2008) thì “Đa dạng
sinh học là sự phong phú về gen, loài sinh vật và hệ sinh thái trong tự nhiên”. Ba cấp
độ này làm việc cùng nhau để tạo ra sự phức tạp của sự sống trên Trái đất [1].
Sự đa dạng di truyền ở cấp độ cơ bản nhất của nó được thể hiện bởi sự khác biệt
trong trình tự của các nucleotide (adenine: A, cytosine: C, guanine: G, thymine: T…)
hình thành nên ADN trong các tế bào của sinh vật. ADN được chứa trong các nhiễm
sắc thể có mặt trong tế bào; một số nhiễm sắc thể được chứa trong các bào quan của tế
bào (ví dụ, các nhiễm sắc thể của ty thể và lục lạp). Mỗi một gen là một đoạn của ADN
nằm trên nhiễm sắc thể và quy định một đặc tính cụ thể của một sinh vật.
Whittaker (1972) đưa ra 3 khái niệm đa dạng trong sinh thái học: đa dạng alpha,
đa dạng bê ta và đa dạng gamma. Đa dạng alpha đánh giá đa dạng cho tập hợp mẫu từ
một quần xã nhất định. Đa dạng beta đánh giá sự thay thế loài hay sự thay đổi thành
phần sinh vật khi chuyển từ quần xã này sang quần xã khác. Đa dạng gamma đánh giá
sự phong phú loài của một loạt sinh cảnh (một cảnh quan, một khu vực địa lý hoặc một
hòn đảo), nó là hệ quả của đa dạng alpha của các quần xã thành phần và của đa dạng
beta giữa chúng [2].
Mora et al. (2011) dự đoán có khoảng 8,7 triệu (± 1,3 triệu) loài có nhân trên
toàn cầu; trong đó có khoảng 2,2 triệu (± 0,18 triệu) là sống dưới biển. Họ cho rằng
khoảng 86% các loài đang tồn tại trên trái đất và 91% các loài trong đại dương vẫn
đang chờ đợi mô tả [3]. Đến nay, tổng số loài mô tả được chấp nhận trên thế giới được
ước tính là gần 1.900.000 loài và có khoảng 18.000 loài mới được miêu tả mỗi năm
(năm 2007) (Chapman 2009) [4]. Nhiều loài đã tuyệt chủng trong lịch sử địa chất của
trái đất. Lý do chính cho những sự tuyệt chủng là sự thay đổi môi trường hoặc sự cạnh
tranh sinh học. Tỷ lệ tuyệt chủng gây ra bởi con người lớn hơn tỷ lệ tuyệt chủng tự
nhiên của chúng khoảng từ 1.000 đến 10.000 lần. Hiện nay, sự tác động của con người
4
gây ra sự tuyệt chủng của các loài sinh vật trên trái đất là một trong những vấn đề môi
trường lớn nhất đối với nhân loại (Pidwirny, 2015) [5].
Đánh giá đa dạng sinh học: Trong ba cấp độ đa dạng sinh học, cấp độ đa dạng
loài gần như được áp dụng chủ yếu trong nghiên cứu sinh thái và bảo tồn sinh học, mặc
dù các mức độ đa dạng của bậc phân loại cao hơn (chi, họ, bộ) hoặc mô hình đa dạng
tiến hóa đôi khi cũng được coi là đặc biệt hữu ích trong nghiên cứu cổ sinh vật học
(Foote 1997; Roy et al. 1996; Raup và Sepkoski 1984) [6, 7, 8]. Do đó, các nhà sinh
vật học thường đánh giá đa dạng sinh học thông qua đánh giá độ giàu loài. Có hai
phương pháp chính để đánh giá độ giàu loài: (1) phương pháp đánh giá mang tính định
tính bao gồm đa dạng loài alpha là tổng số loài trong một quần xã có trong một hệ sinh
thái cụ thể. Tính đa dạng beta mô tả mức độ dao động thành phần loài khi các yếu tố
môi trường thay đổi. Tính đa dạng gamma áp dụng cho những khu vực rộng lớn hơn về
mặt địa lý. Trong thực tế, ba chỉ số đa dạng này thường liên quan chặt chẽ với nhau. (2)
Phương pháp đánh giá mang tính định lượng bao gồm đánh giá số lượng cá thể hay
sinh khối của một loài, hay mật độ loài, đó là số lượng mỗi loài trong khu vực hay đơn
vị thu mẫu, ví dụ như số lượng các loài trên một mét vuông (Magurran 2013) [9] và các
chỉ số sinh thái. Độ giàu loài (số lượng các loài trong một khu nghiên cứu) đại diện cho
một thước đo duy nhất nhưng quan trọng, nó có giá trị như sự phổ biến chung của đa
dạng sự sống nhưng nó phải được tích hợp với các số liệu khác để nắm bắt đầy đủ các
mặt của đa dạng sinh học. Chỉ số sinh thái sử dụng số liệu định lượng để đo lường các
khía cạnh của đa dạng sinh học, điều kiện sinh thái, sự có lợi, hoặc sự điều khiển các
thay đổi, nhưng không có chỉ số sinh thái đơn lẻ để nắm bắt tất cả các mặt của đa dạng
sinh học. Lý tưởng nhất, để đánh giá các điều kiện và xu hướng của đa dạng sinh học
trên toàn cầu hoặc phần nhỏ hơn là đo lường sự phong phú của tất cả các sinh vật theo
không gian và thời gian, sử dụng phân loại (chẳng hạn như số lượng các loài), đặc
điểm chức năng (ví dụ cây cố định nitơ như đậu so với cây không cố định nitơ), và sự
tương tác giữa các loài có ảnh hưởng đến động lực và chức năng của chúng (ví dụ ăn
thịt, ký sinh, cạnh tranh, giúp thụ phấn, và ảnh hưởng của những tương tác này đến hệ
sinh thái như thế nào). Thậm chí quan trọng hơn sẽ là đánh giá sự dịch chuyển của đa
5
dạng sinh học trong không gian hoặc thời gian. Hiện nay, chúng ta không thể làm được
điều này với độ chính xác cao bởi vì các số liệu còn thiếu.
Khủng hoảng đa dạng sinh học: là sự mất đi của gen, các loài và các hệ sinh
thái. Mooney (2010) cho thấy ví dụ về các tổn thất to lớn về sự mất đa dạng sinh học ở
tất cả các cấp của sinh vật từ gen, các loài đến hệ sinh thái và toàn bộ cảnh quan [10].
Từ thế kỷ 17, có ít nhất 717 loài động vật và 87 loài thực vật đã mất đi. Ngày nay, hơn
17.000 loài thực vật và động vật có nguy cơ cùng số phận (Danh sách đỏ IUCN). Vos
et al. (2015) ước tính rằng sự mất đi trong tự nhiên có thể gần với tỷ lệ 0,1 loài trên
một triệu loài trên một năm và do đó tỷ lệ tuyệt chủng hiện nay là cao hơn 1000 lần so
với tỷ lệ tự nhiên và trong tương lai có thể sẽ cao hơn 10.000 lần [11]. Levin (2002)
cho thấy rằng trung bình cứ 20 phút có một loài trên trái đất bị mất đi. Sinh thái học
ước tính rằng một nửa của tất cả các loài chim đang sống và động vật có vú sẽ biến mất
trong vòng 200 hoặc 300 năm [12]. Nhân tố chính cho sự thay đổi đa dạng sinh học
trong tương lai bao gồm sự thay đổi trong sử dụng đất, biến đổi khí hậu, lắng đọng Ni
tơ, trao đổi sinh học và hấp thụ khí CO2 (Sala et al., 1997) [13].
Hậu quả của sự tuyệt chủng có thể phá vỡ quá trình sinh thái quan trọng như thụ
phấn và phát tán hạt giống, dẫn đến sự mất mắt xích trong lưới và chuỗi thức ăn dẫn
đến sự sụp đổ của hệ sinh thái và làm cho tăng tỷ lệ tuyệt chủng tổng thể (Sodhi et al.
2009) [14]. Sau khi hiện tượng tuyệt chủng bùng phát này kết thúc, số lượng loài cũng
có thể trở lại như mức trước nhưng chắc chắn sẽ có ít hơn nhóm phân loại bậc cao hơn
so với hiện tại. Một sự thay đổi quy mô như vậy trong hệ sinh vật của trái đất sẽ làm
nghèo đa dạng sinh học trên hành tinh trong nhiều triệu năm tới (Levin 2002) [12].
Trở ngại phân loại trong nghiên cứu đa dạng sinh học: Phân loại thường được
nhắc đến là sự mô tả lý thuyết và thực hành, đặt tên và sắp xếp có hệ thống các sinh vật
sống. Công việc này là cần thiết cho sự hiểu biết cơ bản về đa dạng sinh học và bảo
tồn. Việc thiếu tên khoa học và những khó khăn trong việc xác định loài trong nghiên
cứu sinh thái là "trở ngại phân loại" (New, 1984) [15]. Điều này đang có ảnh hưởng rất
lớn cho khoa học bảo tồn. Nhiều loài sẽ bị tuyệt chủng trước khi chúng được mô tả và
chúng ta vẫn tiếp tục không biết chính xác có bao nhiêu loài trên hành tinh của chúng
6
ta. Các "trở ngại phân loại" đã dẫn tới sự hiểu biết không đầy đủ về phần lớn đa dạng
sinh học toàn cầu.
Như vậy, với sự đa dạng loài rất cao trên hành tinh của chúng ta, có rất nhiều
loài đang chờ được mô tả trong khi có nhiều trở ngại trong việc định danh loài, nhiều
loài có nguy cơ bị tuyệt chủng trước khi được mô tả. Điều này dẫn đến chúng ta sẽ
đánh giá đa dạng sinh học không được chính xác và các nhà khoa học đã tìm ra công
cụ hữu dụng giúp đánh giá đa dạng sinh học nhanh và chính xác, đó là công cụ sinh
học phân tử.
1.1.1.2. Sử dụng công cụ sinh học phân tử để tăng tốc độ đánh giá đa dạng sinh học
Sử dụng công cụ sinh học phân tử để đánh giá đa dạng loài
Như đã đề cập ở trên, có ba cấp độ đa dạng sinh học: Đa dạng loài, đa dạng di
truyền và đa dạng hệ sinh thái. Sinh học phân tử là một lĩnh vực của sinh học liên quan
đến quá trình phiên mã gen cho sản phẩm acid Ribonucleic (ARN), sự dịch mã của
ARN thành protein và vai trò của những protein thể hiện trong chức năng tế bào
( />Mục đích chính của những kỹ thuật sinh học phân tử là có được trình tự ADN
của gen mục tiêu. Những bước chính là: (1) tách triết ADN mục tiêu, (2) khuếch đại
đoạn ADN mục tiêu (PCR) và (3) giải trình tự ADN: là việc xác định thứ tự của các
nucleotide A, G, C và T có trong một phân đoạn của ADN mục tiêu. Hiện nay, kỹ
thuật giải trình tự nhuộm màu là phương pháp chuẩn trong phân tích trình tự ADN.
Đến nay, kỹ thuật giải trình tự thế hệ tiếp theo (NGS) đã được áp dụng trong một loạt
các trường hợp, bao gồm cả trình tự cả hệ gen, các trình tự mục tiêu, phát hiện vị trí
ràng buộc của các yếu tố phiên mã và sự biểu hiện sao chép đa hình của ARN không
mã hóa. Tùy thuộc vào mục tiêu của nhà khoa học nhưng mục đích cuối cùng là nhận
được trình tự của ADN để so sánh giữa chúng với nhau.
Mã vạch ADN dựa trên gen ty thể (thường xuyên nhất gen Cytochrome oxidase
subunit I: COI) đã nổi lên như một công cụ hữu ích để xác định các loài động vật. Mã
vạch ADN được sử dụng như một công cụ hiệu quả cho cả việc xác định các loài đã
biết và phát hiện ra những loài mới (Hebert et al. 2003, 2010, Savolainen et al. 2005)
[16, 17, 18]. Ban đầu, mã vạch ADN đã được đề xuất cho giới động vật vào năm 2003,
7
khi Hebert và các đồng nghiệp đã thử nghiệm một mã vạch gen đơn để xác định loài và
đặt ra thuật ngữ "mã vạch ADN" (Hebert et al. 2003) [16]. Kể từ thời điểm đó trình tự
gen COI đã được sử dụng như là tác nhân định danh trong phần lớn các ngành động vật
bao gồm động vật có xương sống (Hebert et al. 2004, Ward et al. 2005, Kerr et al.
2007, Smith et al. 2005, Nijman và Aliabadian 2010) [19, 20, 21, 22, 23] và động vật
không xương (Hajibabaei et al. 2006, Bucklin et al. 2011, Hausmann et al. 2011) [24,
25, 26]. Trong những năm gần đây, các tiện ích thiết thực của mã vạch ADN chứng tỏ
là một công cụ hấp dẫn để giúp giải quyết sự mơ hồ trong phân loại (Hebert et al. 2004,
2010) [17, 19], đánh giá đa dạng sinh học (Plaisance et al. 2009, Naro-Maciel et al.
2009, Grant et al. 2011) [27, 28, 29], và trong nghiên cứu sinh học bảo tồn (Neigel et
al. 2007, Rubinoff 2006, Dalton và Kotze 2011) [30, 31, 32]. Mã vạch ADN có thể
cung cấp thêm cơ sở dữ liệu giúp phân loại loài được chính xác hơn (Thompson et al.
2012) [33]. Thứ hai, mã vạch ADN có thể giúp xác định loài trong những trường hợp
việc định loại chỉ được thực hiện tới mức chi hoặc họ. Thứ ba, dữ liệu di truyền thu
thập cho mã vạch ADN thường bao gồm các biến đổi trong một loài, chúng cho phép
phân tích theo hướng mức độ thấp của quần thể bao gồm cả việc phát hiện các cấu trúc
di truyền, và trong một số trường hợp là theo dõi biến động quần thể (Nagy et al. 2013)
[34]. Mã vạch ADN cũng có thể được áp dụng như là công cụ để giải quyết các câu hỏi
cơ bản về sinh thái, tiến hóa và sinh học bảo tồn (Kress et al. 2014) [35].
Mã vạch ADN là một hoặc vài chuỗi gen tương đối ngắn lấy từ một phần của bộ
gen tiêu chuẩn và được sử dụng để xác định loài. Một gen được sử dụng làm gen mã
vạch ADN phải thỏa mãn ba tiêu chuẩn: (1) Có sự khác nhau và sự biến đổi gen có ý
nghĩa ở cấp độ loài; (2) có vị trí sườn (flanking) bảo tồn để phát triển mồi PCR chung
áp dụng cho số lượng phân loại học lớn; (3) có độ dài tương đối ngắn để dễ dàng tách
chiết và khuếch đại ADN (Kress và Erickson 2008) [36]. Một trình tự ADN ngắn của
600 cặp bazơ trong gen mã hóa ty thể COI đã được chấp nhận như là chuẩn, mã vạch
ADN cấp độ loài thiết thực cho nhiều nhóm động vật (Hebert et al. 2003) [16].
8
Hình 1.1: Vị trí của gen COXI trong gen ty thể (nguồn
www.slideshare.net/GullFatima/dna-barcoding-in-animals-71007134)
Mã vạch ADN trên nhiễm sắc thể hiện nay thường được sử dụng nhiều nhất cho
thực vật. Hai vùng ADN được định nghĩa là 'mã vạch lõi' gồm rbcLa và matK đã được
chuẩn hóa như mã vạch ADN cho thực vật trên cạn (CBOL Plant Working Group
2009). Ngoài các mã vạch lõi, hai khu vực khác, trnH-psbA và nrITS đã được đề xuất
như mã vạch ADN bổ sung cho thực vật (Hollingsworth et al. 2011, Li et al. 2011) [37,
38]. Lý do cho việc áp dụng hai vùng này (rbcLa và matK) là mức độ cao của khả năng
thu được các trình tự có chất lượng cao và mức độ cho phép phân biệt loài (Burgess et
al. 2011) [39]. Gere et al. (2013) kết hợp trnH-psbA với mã vạch ADN nhân đã cải
thiện đáng kể phân biệt loài trong họ Bàng (Combretaceae) ở miền nam châu Phi, kết
quả của họ cũng cho thấy sự thành công của mã vạch ADN trong phân biệt các loài có
quan hệ gần [40]. Ballardini et al. (2013) đề nghị các gen ADN ở lục lạp psbZ-trnfM
như một dấu hiệu mã vạch tiềm năng ở chi Phoenix [41]. Gen 16S rRNA, COI, và
9
cpn60 bình thường có thể được sử dụng như là dấu hiệu cho việc phát triển mã vạch
ADN của vi khuẩn (Purty và Chatterjee 2016) [42]. ITS có thể đưa ra một sự khác biệt
quan trọng trong sự hoàn thành của nó như là một mã vạch cho nấm (Dentinger et.al.,
2011) [43].
Mã vạch ADN sẽ có nhiều ứng dụng cho sự sống ở biển: nhận dạng các ấu
trùng, các loài xâm lấn, loài bí ẩn, các loài mới, sự buôn bán trái phép của loài được
bảo vệ, quản lý vật nuôi, đánh giá đa dạng sinh học, giám sát hệ sinh thái, tu chỉnh lại
các loài đã biết, suy luận của các mối quan hệ phát sinh loài, phát sinh địa lý và mô
hình hình thành loài (Radulovici, Archambault và Dufresne 2010) [44]. Smith et al.
(2005) chứng minh mã vạch ADN giúp giải quyết sự thất bại của phương pháp kiểm kê
hiện tại để nhanh chóng đáp ứng nhu cầu cấp bách đánh giá đa dạng sinh học, đặc biệt
trong việc đánh giá sự phong phú và sự thay thế khi chuyển đổi cảnh quan với đơn vị
phân loại đa dạng cao và sử dụng mã vạch ADN trong sự hợp tác với các nhà phân loại
sẽ cung cấp các bản đồ quy mô thiết yếu để đánh giá đa dạng sinh học ở quy mô mà
quyết định bảo tồn được thực hiện [22].
Đối với các mẫu trong bộ sưu tập lịch sử tự nhiên, mã vạch ADN có một vai trò
quan trọng, nó cung cấp một cách đơn giản để xác minh, một phương pháp để định
danh mẫu vật và phát hiện các mục cơ sở dữ liệu không chính xác. Ngoài ra, mã vạch
ADN cung cấp một phương pháp đơn giản ở thực địa, trong đó một miếng gạc hoặc
mẫu sinh thiết, kết hợp với dữ liệu địa phương và những hình ảnh chính xác, sẽ là đủ
để nhận dạng sơ bộ các loài (Chambers và Hebert 2016) [45]. Mã vạch ADN có thể sử
dụng như một công cụ phân tử quan trọng để đánh giá đa dạng sinh học và bảo tồn các
loài bò sát (Trivedi et al.2016) [46].
Do đó, các cơ sở dữ liệu trình tự của axit Nucleotide quốc tế (như GenBank…)
đã thông qua từ khóa nhận dạng duy nhất (Barcode) để nhận ra các chuỗi mã vạch tiêu
chuẩn theo quy định của cộng đồng khoa học (ví dụ Consortium for the Barcode of
Life (CBOL)). Sự ra đời của mã vạch ADN là một sự bổ sung tự nhiên với thời kỳ hậu
di truyền, trong đó trình tự của toàn bộ gen đã cung cấp một số lượng lớn các thông tin
trình tự từ một số lượng loài hạn chế. Mã vạch ADN có thể giúp mở rộng kiến thức của
chúng ta bằng cách khám phá nhanh chóng nhiều loài hơn và không tốn kém. Các kết
10
quả thu được từ các nghiên cứu mã vạch ADN sau đó có thể giúp chúng ta xác định
loài là những mục tiêu tốt cho phân tích di truyền chi tiết hơn (Hajibabaei et al. 2007)
[47].
Sử dụng công cụ sinh học phân tử trong nghiên cứu tương tác sinh thái
Các phương pháp phổ biến nhất xác định thức ăn của côn trùng bao gồm: 1)
quan sát trực tiếp côn trùng ăn thực vật tại thực địa; 2) thử nghiệm cho ăn (Barone
1998) [48]; 3) phân tích thành phần thức ăn trong ruột; và 4) kỹ thuật đồng vị ổn định
(Joern và Parker, 1978; Otte và Joern, 1976) [49, 50]. Tuy nhiên, việc xác định thức ăn
của các loài côn trùng bằng việc sử dụng các phương pháp này gặp nhiều khó khăn.
Quan sát hiện trường sẽ khó thực hiện nếu khu vực nghiên cứu hiểm trở, chẳng hạn
như rừng ở núi dốc và cao. Quan sát trực tiếp cũng bị giới hạn bởi khả năng của nhà
nghiên cứu để xác định chính xác các loài liên quan đến các tương tác (Hebert et al.
2004) [19]. Trong các thử nghiệm cho ăn, côn trùng thường ăn các loại thức ăn khác
với thức ăn khi chúng sống trong tự nhiên, và do đó mức độ tiêu thụ của côn trùng có
thể bị đánh giá quá cao (Barone, 1998) [48]. Đối với các phương pháp phân tích thành
phần thức ăn trong ruột và đồng vị ổn định, việc xác định thông tin về phân loại và /
hoặc sinh thái thường rất hạn chế.
Gần đây nhiều nhà khoa học đã sử dụng phương pháp khác để xác định thức ăn
của côn trùng, đó là sử dụng trình tự ADN thực vật trong ruột của côn trùng (JuradoRivera et al., 2009; Navarro et al., 2010) [51, 52]. Phương pháp này tách chiết ADN từ
mô của thực vật bị tiêu hóa bởi côn trùng ăn thực vật. Một phần của ADN này sẽ được
khuếch đại và giải trình tự, sau đó các trình tự gen này được dùng để xác định tên ở các
bậc phân loại bằng cách so sánh với cơ sở dữ liệu tham khảo hiện tại như GenBank
hoặc thư viện mã vạch ADN. Kỹ thuật dựa trên ADN này cho phép chúng ta xác định
thức ăn của côn trùng ăn cỏ mà không quan sát trực tiếp. Hơn nữa, bởi vì kỹ thuật này
nhắm vào ít mục tiêu, nó làm giảm khả năng bỏ qua mối quan hệ dinh dưỡng của côn
trùng ăn thực vật. Có nhiều nghiên cứu đã áp dụng phương pháp này để xác định thực
vật chủ của những côn trùng ăn thực vật khi mà thực vật chủ của chúng hoàn toàn
không được biết như García-Robledo et al. 2013; Kishimoto-Yamada et al., 2013; Liu J
et al. 2014..[53, 54, 55].
11
Như vậy sinh học phân tử là một công cụ hữu dụng trong việc đánh giá đa dạng
sinh học, đặc biệt trong đánh giá đa dạng loài – cấp độ đa dạng được sử dụng nhiều
nhất trong nghiên cứu sinh học, và tương tác loài (sinh thái học). Nó giúp đánh giá
nhanh được đa dạng của một nhóm quần xã sinh vật trước khi chúng được mô tả dựa
vào đặc điểm hình thái, giúp giải quyết sự thất bại của phương pháp kiểm kê hiện tại để
nhanh chóng đáp ứng nhu cầu cấp bách đánh giá đa dạng sinh học. Những điều này
giúp cho dự đoán số loài trong tự nhiên nhanh và chính xác hơn.
1.1.2. Sự không đồng nhất của môi trường và ảnh hưởng của nó đến đa dạng sinh
học
Haller et al. (2013) cho rằng, có hai loại mô hình không gian trên hành tinh
của chúng ta: mô hình siêu quần thể, trong đó các cá thể sinh sống ở hai hoặc nhiều
mảnh rời rạc khác nhau và mô hình không gian liên tục của dải biến đổi môi trường.
Theo tác giả, sự không đồng nhất về môi trường xuất phát từ hai yếu tố: đầu tiên là sự
thay đổi của môi trường, tiếp đến là sự phân mảnh liên tục trong không gian, được mô
tả bởi biên độ và quy mô không gian của nó. Cùng với nhau, các thành phần này tạo
lên một loạt các cảnh quan với mô hình không đồng nhất. Họ kết luận rằng tính không
đồng nhất không gian, bằng cách tạo ra các chế độ lựa chọn khác nhau đã thúc đẩy sự
đa dạng, là một động lực quan trọng của sự hình thành loài [56].
Pausas và Austin (2001) xem xét lại mô hình giàu loài dọc theo dải biến đổi môi
trường bằng các nghiên cứu trước đây. Họ kết luận rằng hầu hết các nghiên cứu cho
thấy một xu hướng tăng sự phong phú loài với nhiệt độ và nguồn nước, cũng như với
sự gia tăng không đồng nhất về môi trường. Ngoài ra, hầu hết các nghiên cứu cho thấy
sự làm giàu dinh dưỡng dẫn đến giảm sự phong phú các loài. Tuy nhiên, phản ứng
khác nhau có thể quan sát được do sự tương tác giữa các tham số, bao gồm cả các yếu
tố nhiễu loạn và dao động quanh sự giới hạn nguồn tài nguyên dọc theo dải biến đổi
môi trường [57]. Jill et al. (2009) điều tra mô hình phân bố của các loài chim ở vùng
núi Tilaran của Costa Rica ở độ cao giữa 1.000 m và 1.700 m, nơi có một sự thay đổi
độ ẩm rõ nét. Đa dạng beta cao đã được tìm thấy cho thấy sự thay đổi gần như hoàn
toàn trong thành phần của quần xã sinh vật trong vài km trên sườn hướng về Thái Bình
Dương. Và sự thay đổi trong thành phần loài có liên quan với sự thay đổi về độ ẩm (và
12
liên quan tới sự bao phủ của thực vật bì sinh) ở những khoảng cách khác nhau trên
sườn Thái Bình Dương [58]. Yang et al, (2015) đã chứng minh rằng tác động của sự
không đồng nhất môi trường lên sự phong phú các loài phụ thuộc vào vị trí của quần xã
dọc theo dải biến đổi môi trường: ở hai đầu của dải biến đổi môi trường có một mối
tương quan dương giữa tính đa dạng với sự không đồng nhất của môi trường, trong khi
đó ở giữa của dải biến đổi môi trường, không tồn tại một mối quan hệ như vậy [59].
Arnan et al. (2015) nhận thấy cả biến môi trường và biến không gian đóng góp đáng kể
vào sự thay đổi tính đa dạng ở các bậc phân loại, phát sinh loài và chức năng ở cả quy
mô alpha và beta; trong đó cấu trúc không gian có ảnh hưởng rộng hơn [60].
Phân mảnh môi trường sống thường được định nghĩa như một quá trình ở quy
mô cảnh quan bao gồm cả môi trường sống bị mất đi và môi trường sống bị chia cắt.
Nghiên cứu thực nghiệm ngày nay cho thấy mất môi trường sống có ảnh hưởng xấu
rộng và liên tục tới đa dạng sinh học. Còn bản thân phân mảnh môi trường sống có ảnh
hưởng ít hơn tới đa dạng sinh học (Fahrig 2003) [61].
Có nhiều nghiên cứu về sự thay đổi loài theo độ cao, nhưng hầu hết các
nghiên cứu được thực hiện trong khu vực Nam và Trung Mỹ. Các nghiên cứu này tập
trung vào nhóm chân khớp giàu loài, cụ thể là côn trùng (24,5%), hầu hết là những
nghiên cứu về cánh cứng và bướm (Brehm G & Fiedluk, 2004; Novotny et al. 2005,
Escobar et al. 2006, García-López et al. 2012..) [62, 63, 64, 65], chỉ có một vài nghiên
cứu về Chrysomelidae dọc theo độ cao (Sánchez-Reyes et al. 2016, Bouzan et al. 2015)
[66, 67]. Hầu hết các nghiên cứu đều cho kết quả rằng đa dạng loài thay đổi với độ cao.
1.1.3. Chrysomelidae là đối tượng thích hợp để áp dụng công cụ sinh học phân tử
trong đánh giá đa dạng sinh học và nghiên cứu sự phụ thuộc lẫn nhau trong hệ sinh
thái.
Trong lĩnh vực sinh học người ta dựa vào các sinh vật chỉ thị để đánh giá chất
lượng của môi trường (Noss 1990, Caro và O'Doherty 1999) [68, 69]. Nhóm sinh vật
được sử dụng như sinh vật chỉ thị môi trường đòi hỏi phải có sự đa dạng loài cao và có
sự đa dạng tương tác sinh thái. Thông qua đánh giá đa dạng sinh học của nhóm sinh vật
này (bao gồm đánh giá đa dạng loài và tương tác loài) sẽ giúp chúng ta mô tả được sự
phụ thuộc lẫn nhau của các quần xã sinh vật trong hệ sinh thái. Về đặc điểm này, đối
13
với các hệ sinh thái cạn, các loài côn trùng ăn cỏ là một nhóm thích hợp để tiến hành
cuộc điều tra quy mô lớn về đa dạng sinh học và tương tác sinh thái (Stork and Habel
2014) [70]. Trong đó Chrysomelidae là đối tượng thích hợp nhất trong bộ cánh cứng
Coleoptera khi đánh giá đa dạng sinh học và chứng minh sự phụ thuộc lẫn nhau trong
hệ sinh thái. Bởi vì, chúng đại diện cho một số lượng loài lớn, dễ thấy và
rất đa dạng trong hoạt động ăn thực vật trong hệ sinh thái nhiệt đới và ôn đới.
Chrysomelidae là họ đa dạng nhất trong bộ cánh cứng với hơn 37.000 loài được mô tả,
hầu hết các mô tả này là của các loài ở vùng Trung và Nam Mỹ (Bouchard et al. 2009)
[71]. Nghiên cứu ở quy mô nhỏ trong rừng nhiệt đới cho thấy Chrysomelidae có tính
đa dạng cao, ví dụ: Thormann et al. (2016) sử dụng mã vạch ADN khám phá 266 loài
Chrysomelidae trong núi rừng của Vườn Quốc gia Podocarpus và khu dự trữ Reserva
Biologica San Francisco liền kề ở phía nam Ecuador [72]; 157 loài Chrysomelidae
được khám phá trong rừng rụng lá nhiệt đới ở Peregrina Canyon của bang Tamaulipas
ở đông bắc Mexico (Sancher- Reyes et al., 2014) [73]; 60 loài thuộc phân họ Alticinae
được ghi nhận ở Antalya và 57 loài thuộc phân họ Alticinae được ghi nhận ở Isparta
của Thổ Nhĩ Kỳ (Aslan, 2010; Aslan và Ayvaz, 2009) [74, 75]; 253 loài
Chrysomelidae được ghi nhận trong 0,8 ha rừng nhiệt đới ở Panama (Charles và
Bassett, 2005) [76] hoặc 1.073 loài trên toàn bộ lãnh thổ của Malaysia (Mohamedsaid
2004) [77]... Thêm vào đó, chúng cho thấy một sự đa dạng đáng chú ý của việc ăn thực
vật (từ lá đến gốc) cũng như mức độ chuyên môn hóa khác nhau, từ loài ăn một loại
thức ăn đến loài ăn nhiều loại thức ăn khác nhau, và khả năng phát tán (từ loài không
thể bay xa đến có thể bay xa). Sự đa dạng phân loại và thức ăn của chúng có thể gây
kinh ngạc trong bất kỳ môi trường nhiệt đới cụ thể nào (Erwin 1982; Wagner 1999;
Novotny và Miller 2014) [78, 79, 80], chúng có mối quan hệ sinh thái chặt chẽ với thực
vật ở tất cả các giai đoạn của chu kỳ sống và có tỷ lệ đặc hữu cao, cả hai yếu tố đó cho
thấy chúng có mối quan hệ chặt chẽ với môi trường. Do vậy chúng là đối tượng thích
hợp trong nghiên cứu các phương diện của đa dạng sinh học: nghiên cứu đa dạng loài
và tương tác sinh thái (Price 2002) [81].
14
1.1.3.1. Tình hình nghiên cứu Chrysomelidae ở Việt Nam
Từ năm 1975 đến năm 2008, côn trùng cánh cứng ăn lá (Chrysomelidae) ở Việt
Nam đã được tập trung nghiên cứu nhiều về đa dạng loài và đặc điểm phân bố. Đặc
biệt khu hệ Chrysomelidae ở khu vực phía Bắc Việt Nam (Tam Đảo, Hòa Bình, Hà
Nam, Ninh Bình..), khu vực ba tỉnh miền trung (Quảng Bình, Quảng Trị và Thừa Thiên
Huế) và một số tỉnh Tây Nguyên đã được nghiên cứu kỹ (Đặng Thị Đáp và Medvedev,
1982, 1983, 1989 [82, 83, 84] và Trần Thiếu Dư và cs 2005, 2006, 2007, 2008 [85-89].
Và các kết quả nghiên cứu này cho thấy Chrysomelidae có sự đa dạng loài cao và một
số nhóm (Monolepties) có sự phân bố theo vùng miền (chúng được ghi nhận nhiều ở
các tỉnh miền trung và Tây Nguyên, trong khi chúng ít xuất hiện ở các tỉnh phía Bắc)
Phân loại học của Chrysomelidae ở Việt Nam được một số tác giả trong nước
quan tâm như Đặng Thị Đáp và Trần Thiếu Dư (2005) [90, 91, 92] và nhiều tác giả
nước ngoài quan tâm nghiên cứu và công bố như Medvedev (1985, 1987, 1988, 1992,
2001, 2004, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014, 2015) [93-109], Delobel et al. (2011)
[110], Shu-Yong et al. (2010) [111], Warchalowski (2010) [112], Lopatin (2003, 2008)
[113, 114], Moseyko (2005, 2006) [115, 116], Bezdek (2005) [117] và Kimoto (1997,
1998, 2000) [118, 119, 120]. Theo ghi nhận của các tác giả này, có khoảng 700 loài
Chrysomelidae ở Việt Nam đã được mô tả và công bố trên các tạp chí khoa học, và ước
tính số loài Chrysomelidae ở Việt Nam có thể vượt 1.000 loài. Điều này cho thấy sự đa
dạng rất cao của quần xã Chrysomelidae ở Việt Nam và nhiều loài đang chờ phát hiện
và mô tả mới cho khoa học.
Những ghi nhận về thực vật chủ của các loài Chrysomelidae ở Việt Nam còn rất
hạn chế. Medvedev và Đặng Thị Đáp (1982, 1983) [82, 83] đã đưa ra danh sách thực
vật chủ của 212 loài Chrysomelidae, tuy nhiên danh sách này chưa đầy đủ và theo tác
giả phương pháp nghiên cứu của các tác giả còn nhiều hạn chế. Tác giả ghi nhận thực
vật chủ của Chrysomelidae dựa vào quan sát trực tiếp ngoài thực địa, khi bắt gặp chúng
trên thực vật nào thì kết luận thực vật đó là thức ăn của chúng. Kết luận này nhiều khi
không chính xác, bởi vì Chrysomelidae là côn trùng biết bay và chúng có thể bay xa,
nhiều loài ăn trên nhiều loại thức vật khác nhau.
