Cây trồng lai thừa hưởng những đặc điểm của cây bố, mẹ

 Cây trồng lai thừa hưởng những đặc điểm của cây bố, mẹ

Các nhà nghiên cứu của MPIPZ đã phát triển một kỹ thuật cho phép lai tạo các loại cây lai có cùng đặc điểm di truyền.

 

Khi các giống khác nhau của một loài thực vật được lai với nhau, thế hệ lai của chúng thường khỏe mạnh hơn và phát triển nhanh hơn bố mẹ chúng. Tuy nhiên, ở thế hệ tiếp theo, hiệu ứng này lại biến mất. Các phương pháp mới giúp bảo tồn các đặc tính có lợi của các loại cây lai này trong thời gian dài và mong muốn thiết kế các loại cây có bốn bộ nhiễm sắc thể thay vì chỉ hai. Các kỹ thuật này sẽ giúp dễ dàng lai tạo các loại cây trồng có năng suất cao và có khả năng chống chịu, có thể nuôi sống dân số toàn cầu đang gia tăng ngay cả trong thời kỳ khủng hoảng của biến đổi khí hậu.

Cà chua có bộ nhiễm sắc thể tứ bội. Ba trong số các nhiễm sắc thể này có nguồn gốc từ cà chua vườn phổ biến, Solanum lycopersicum, trong khi một nhiễm sắc thể có nguồn gốc từ cà chua hoang dã, Solanum pennellii. Một kỹ thuật lai tạo mới đã được sử dụng để sản xuất hạt giống giống hệt nhau về mặt di truyền từ cây lai. © MPI for Plant Breeding Research/Yazhong Wang.

 

Ngay từ năm 1759, hơn một trăm năm trước khi nhà sư Augustinian người Áo Gregor Johann Mendel công bố công trình nghiên cứu về sự di truyền ở cây thuộc họ đậu, các nhà khoa học đã suy ngẫm về câu hỏi làm thế nào thực vật truyền các đặc điểm của chúng cho con cháu thế hệ sau. Vào năm đó tại St. Petersburg, một cuộc thi đã được tổ chức bởi Viện Hàn Lâm Khoa học Nga. Nhiệm vụ được giao là chứng minh rằng thực vật cũng có giới tính.

 

Người chiến thắng là Joseph Gottlieb Kölreuter, con trai của một dược sĩ đến từ Sulz am Neckar. Kölreuter, sau này trở thành giáo sư lịch sử tự nhiên tại Karlsruhe, đã lai hai cây thuốc lá cận huyết và khi làm như vậy, ông nhận thấy rằng các đặc điểm riêng của từng cây bố mẹ đều có ở thế hệ tiếp theo sau khi lai. Ông kết luận rằng chúng được truyền từ cây bố mẹ với mức độ ngang nhau. Ngoài ra, các cây thế hệ đầu tiên từ phép lai trông giống nhau - một phát hiện mà Mendel cũng đã đưa ra trong nguyên lý đồng nhất của mình. Nhưng nhà thực vật học này cũng nhận thấy một điều khác nữa: thế hệ con phát triển mạnh hơn bố mẹ chúng.

 

Vì vậy, hơn 250 năm trước, Kölreuter đã khám phá ra cái gọi là hiệu ứng ưu thế lai, hay còn gọi là sức sống lai. Điều này xảy ra khi các giống lai thế hệ đầu tiên – bắt nguồn từ sự lai tạo có chủ đích của hai giống cận huyết của cùng một loài hoặc các loài có quan hệ gần – vượt trội hơn so với cha mẹ của chúng về sức sống và khả năng sinh trưởng. Hiện tượng này xảy ra như thế nào vẫn chưa được làm rõ một cách thuyết phục. Tuy nhiên, nền nông nghiệp hiện đại có được hiệu ứng này là nhờ vào việc trồng các giống lai năng suất cao của ngô, cải dầu, lúa, lúa mạch đen và nhiều loại cây trồng khác.

 

Một chồi từ cây cà chua đang sinh trưởng trong môi trường nuôi cấy. Nhờ các yếu tố tăng trưởng có trong môi trường nuôi cấy mà một mảnh mô nhỏ có thể phát triển thành một cây hoàn chỉnh có thể phát triển chiều cao vài mét. Nguồn: Frank Vinken cho MPG.

 

Về mặt bên ngoài, các giống cây trồng lai phát triển nhanh hơn và chống chịu tốt hơn với các điều kiện bất lợi phi sinh học và sinh học so với họ hàng cận huyết của chúng. Ví dụ, ngô lai tạo ra năng suất cao hơn 30 phần trăm. Nhưng có một vấn đề: hiệu ứng ưu thế lai không kéo dài. Năng suất tăng lên đạt được nhờ phép lai ở thế hệ con đầu tiên bị mất ở thế hệ thứ hai. Các cây cũng mất đi tính đồng nhất bên ngoài. Lý do cho điều này là các quá trình liên quan đến sinh sản hữu tính: trong quá trình phân chia tế bào giảm phân cần thiết cho sự hình thành các tế bào mầm - tức là tế bào trứng và phấn hoa - vật liệu di truyền của các tế bào mầm được trộn lẫn - hoặc tái tổ hợp - vì vậy ở thế hệ tiếp theo, không có cây nào giống hệt cây bố mẹ của chúng. Theo cách này, giảm phân làm tăng tính đa dạng di truyền ở thực vật và động vật. Tuy nhiên, nếu các giống lai có thể được nhân giống vô tính, tức là nhân bản, thông qua hạt giống, chúng có thể truyền lại toàn bộ vật liệu di truyền của chúng và do đó các đặc điểm có lợi của chúng chính xác như chúng vốn có cho thế hệ tiếp theo. Điều này sẽ giảm đáng kể chi phí liên quan đến sản xuất hạt lai và có thể dẫn đến sự phát triển của nhiều giống lai hơn so với hiện tại.

 

Raphaël Mercier, Trưởng khoa Sinh học nhiễm sắc thể tại Viện nghiên cứu lai tạo thực vật Max Planck, và Charles Underwood, Trưởng nhóm nghiên cứu tại khoa của Mercier, đang hướng tới mục tiêu biến điều đó thành hiện thực. Hai nhà khoa học trình bày tiến trình sản xuất hạt giống lai trong nhà kính của viện, nơi ngoài cây cải xoong thale - một loại thảo mộc hoang dã không dễ thấy mà các nhà khoa học đã có được những hiểu biết cơ bản - còn trồng lúa mạch, khoai tây và cà chua. Để làm được như vậy, họ phải đảm bảo đáp ứng được hai điều kiện tiên quyết: thứ nhất, toàn bộ vật liệu di truyền của cây mẹ phải được bảo quản trong giao tử cái, điều này chỉ có thể thực hiện được nếu quá trình phân chia tế bào giảm phân, trong đó các gen được trộn lẫn, không diễn ra như bình thường và tạo ra một tế bào trứng vô tính. Tiếp theo, cây mới phải phát triển từ tế bào trứng vô tính mà không thụ tinh bởi giao tử đực, vì nếu không có giảm phân, số lượng nhiễm sắc thể không giảm một nửa. Vì vậy, nếu một tế bào phấn hoa thụ tinh cho loại tế bào trứng này, thì khi đó nó sẽ có quá nhiều nhiễm sắc thể. “Vì vậy, chúng ta cần phải vượt qua hai rào cản: giảm phân và thụ tinh. Chỉ bằng cách đó, chúng ta mới có thể tạo ra những hạt giống giống hệt nhau về mặt di truyền và giống hệt cây mẹ. Với loại hạt giống lai vô tính này, trạng thái lai có thể được kéo dài gần như vô thời hạn”, Mercier giải thích.

 

Mercier bắt đầu cuộc khảo sát của mình vào năm 2009 tại Viện INRA Jean-Pierre Bourgin Versailles-Saclay ở Pháp. “Cho đến ngày nay, tôi vẫn muốn tìm ra những gen nào tham gia vào quá trình phân chia tế bào giảm phân và sự phát triển của tế bào trứng và tế bào phấn hoa. Ở cấp độ cơ bản, tôi muốn biết những quá trình này hoạt động như thế nào”. Trong cây cải xoong, ông đã xác định được ba gen kiểm soát các quá trình quan trọng đối với giảm phân và khiến giảm phân khác với nguyên phân, khi một tế bào phân chia thành hai tế bào con giống hệt nhau. Khi Mercier vô hiệu hóa cả ba gen này cùng một lúc, giảm phân trở lại nguyên phân và cây hình thành các tế bào mầm vô tính. Do đó, vật liệu di truyền của tế bào trứng và số lượng nhiễm sắc thể giống hệt với cây mẹ. Do đó, Mercier đã phát hiện ra một quá trình bỏ qua giảm phân.

Một gen cho quá trình giảm phân

 

Sự hình thành giao tử ở thực vật: Trong các tế bào giảm phân, các cặp nhiễm sắc thể tương đống đầu tiên hình thành và trao đỏi các đoạn DNA. Các cặp này sau đó xếp thẳng hàng dọc theo một mặt phẳng duy nhất. Vật liệu di truyền đã nhan đôi trước đó được tách ra theo hướng trực giao, tạo ra bốn tế nào, mỗi tế bào có một bộ nhiễm sắc thể duy nhât. Trong quá trình Mime (Nguyên phân thay vì giảm phân) giảm phân bị bỏ qua và sự trao đổi DNA giữa các nhiễm sắc thể bị loại bỏ. Thay vào đó, hai tế bào được hình thành, mỗi tế bào có một bộ nhiễm sắc thể kép giống hệt với bộ nhiễm sắc thể của tế bào giảm phân ban đầu. Nguồn: Charles Underwood.

 

Năm 2016, Mercier và Emmanuel Guiderdoni từ Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp phát triển quốc tế Pháp CIRAD đã áp dụng quy trình này, được gọi là MiMe (nguyên phân thay vì giảm phân), vào lúa và do đó lần đầu tiên áp dụng vào một loại cây trồng. Cùng với ngô và lúa mì, lúa là một trong những loại ngũ cốc quan trọng nhất trên toàn thế giới và là lương thực chính cho 90 phần trăm dân số thế giới. Ba gen này đã được bảo tồn trong quá trình tiến hóa và kiểm soát giảm phân ở cả cải xoong và lúa. Người ta phát hiện ra rằng, nếu không có những gen này, trong lúa cũng hình thành một tế bào trứng giống hệt về mặt di truyền với cây mẹ.

 

Năm 2019, Mercier và Venkatesan Sundaresan từ Đại học California Davis đã giải quyết được rào cản thứ hai: thông qua việc kích hoạt gen BBM1 trong tế bào trứng, vốn chỉ hoạt động trong phấn hoa và phôi, sự phát triển của phôi có thể được kích hoạt mà không cần thụ tinh. BBM1 là một yếu tố phiên mã kích hoạt quá trình hình thành phôi. Nó hoạt động trong tế bào do sự thụ tinh của tế bào trứng bởi một tế bào phấn hoa. Do đó, khả năng sinh sản vô tính thông qua hạt đã được chứng minh đối với cây trồng. Nhưng quy trình này vẫn chưa sẵn sàng để đưa vào thực tế. “So với lúa sinh sản hữu tính, những cây này vẫn tạo ra ít hơn 30 phần trăm hạt. Tất nhiên, đây là một vấn đề, vì điều đó có nghĩa là năng suất ít hơn 30 phần trăm ở những cây trồng mà chúng ta thu hoạch hạt giống. Nhưng tôi tin rằng vấn đề này có thể được giải quyết trong tương lai gần”.

          

 

Một loại cây trồng khác mà các nhà nghiên cứu hiện đã thử nghiệm kỹ thuật MiMe là cà chua, loại cây trồng rau số một thế giới. Trong số các loại cà chua khác, các nhà khoa học đã sử dụng cà chua trong nghiên cứu của họ - các giống lai cũng có sẵn trong siêu thị. Bên cạnh việc thiết lập hệ thống MiMe, Charles Underwood và nhóm của ông đã áp dụng nó theo một cách khác. Đầu tiên, họ thiết lập MiMe ở các cây cà chua lai khác nhau để tạo ra các tế bào sinh dục vô tính. Việc thụ tinh một trứng vô tính từ một cây bằng một giao tử đực vô tính từ một cây khác đã tạo ra những cây chứa thông tin di truyền đầy đủ của cả bố và mẹ. Phương pháp này - được gọi là 'thiết kế bộ gen đa bội' - cho phép Underwood và nhóm của ông thiết kế các cây có bộ nhiễm sắc thể bốn lần thay vì hai lần. Đa bội thể được quan sát thấy ở những cây cà chua này tương tự như ở nhiều loại cây trồng khác như lúa mì, cải dầu, chuối và khoai tây. Sự khác biệt ở đây là đa bội thể được tạo ra bởi quá trình MiMe. Underwood cho biết: "Kết quả là một loại siêu lai".

Các giống khoai tây kháng bệnh

Nhà khoa học đang đứng trước một nhà kính được chiếu sáng bằng đèn LED chứa đầy cây cà chua và chỉ vào cây ở phía trước bên phải, nơi có quả đặc biệt lớn. “Cây này có bộ nhiễm sắc thể tứ bội, vì vậy nó mang toàn bộ vật liệu di truyền của cả hai cây bố mẹ. Theo như chúng tôi biết, đây là lần đầu tiên các tế bào sinh dục vô tính từ hai cây bố mẹ khác nhau hợp nhất - ở bất kỳ loài thực vật hay động vật nào - để đảm bảo sự di truyền hoàn toàn từ cả hai cây bố mẹ”. Bên cạnh “siêu lai” là một cây cho quả nhỏ hơn đáng kể, nhưng rất khỏe mạnh. “Đây là kết quả của việc lai một giống cà chua lai MiMe với một họ hàng hoang dã của cà chua, Solanum pennellii . Giống hoang dã này đến từ một địa điểm cằn cỗi ở Nam Mỹ và đặc biệt chịu được nhiệt độ cao, hạn hán và đất mặn. Các gen chịu được căng thẳng này hiện cũng có trong cây lai này”, Underwood nói. Điều này cũng giải thích tại sao quả lại nhỏ hơn: thực tế là quả lớn không hề có trong tự nhiên mà là kết quả của mười nghìn năm chọn lọc nhân tạo của con người. Cà chua lai là một phần trong nỗ lực của Underwood và các đồng nghiệp nhằm khai thác MiMe trong việc phát triển các hệ thống lai tạo mới có thể tận dụng hoàn toàn khả năng chịu đựng stress của các họ hàng hoang dã của cây trồng.

 

Một ứng cử viên khác cho phương pháp MiMe là khoai tây. Khoai tây và cà chua có thể trông rất khác nhau, nhưng bản thân các loại cây này có quan hệ họ hàng gần. Cả hai đều thuộc họ cà và thực sự cùng chi. Underwood cho biết: “Nhiều giống ngày nay đã rất cũ – ví dụ, giống 'Russet Burbank' đã được trồng ở Hoa Kỳ trong hơn một thế kỷ. Có một nhu cầu cấp thiết là phải đẩy nhanh quá trình phát triển các giống khoai tây kháng bệnh có thể chịu được khí hậu mùa hè ngày càng thay đổi, vì khoai tây vẫn là một trong những cây trồng quan trọng nhất của chúng ta”. 

 

Một vấn đề phát sinh trong quá trình trồng khoai tây là bệnh hại. Ví dụ, tác nhân gây bệnh cháy lá khoai tây gây hại cho cả phần trên mặt đất của cây và củ dưới lòng đất. Nếu tác nhân gây bệnh tấn công cây khoai tây trong giai đoạn sinh trưởng, điều này sẽ dẫn đến tổn thất lớn về năng suất. Vào giữa thế kỷ 19, ở Ireland, bệnh nấm đã gây ra nạn đói tàn khốc. Cũng giống như cà chua hoang dã, vật liệu di truyền từ các loài khoai tây hoang dã có thể khiến họ hàng thuần chủng của nó có khả năng kháng bệnh tốt hơn. “MiMe có thể giúp chúng ta lai tạo ra các giống có khả năng kháng bệnh cháy lá khoai tây tốt hơn, nhưng vẫn có các đặc điểm thông thường của khoai tây. Điều này có thể giúp giảm nhu cầu phun thuốc trừ sâu cho cây trồng”. Đối với Raphaël Mercier, các giống khoai tây lai MiMe cũng có tiềm năng rất lớn, một phần là do không phải hạt hoặc quả được thu hoạch mà là củ nằm dưới lòng đất. “Do đó, thực tế là khoai tây lai MiMe không tạo ra nhiều hạt không liên quan bằng đối với lúa, vì điều này không ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất”. 

Luật kỹ thuật di truyền nghiêm ngặt cản trở công nghệ MiMe

 

Tuy nhiên, có một rào cản đối với việc áp dụng kỹ thuật này – cụ thể là các quy định nghiêm ngặt của EU liên quan đến cây trồng biến đổi gen. Những quy định này hạn chế các kỹ thuật như MiMe dựa trên chỉnh sửa bộ gen, tức là thay đổi hoặc vô hiệu hóa gen có mục tiêu. “EU nên noi gương Hoa Kỳ và Vương quốc Anh và tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc trồng trọt các loại cây trồng đã chỉnh sửa bộ gen. Cuối cùng, chúng ta cần phải làm cho sản xuất lương thực trong tương lai hiệu quả hơn để có thể nuôi sống dân số toàn cầu đang gia tăng trong thời điểm xảy ra các sự kiện khí hậu khắc nghiệt thường xuyên hơn. Ở đây, các giống lai được tạo ra có năng suất cao hơn và khỏe mạnh hơn bằng kéo cắt gen có thể đóng góp”, Mercier cho biết.

 

Do đó, các nhà nghiên cứu khác cũng đang kêu gọi ban hành luật công nghệ di truyền hiện đại tại EU, luật này có tính đến các kỹ thuật và phát hiện mới, vì luật hiện hành đã hơn 20 năm tuổi. Một đề xuất lập pháp của Ủy ban châu Âu nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc phê duyệt các loại cây trồng đã chỉnh sửa bộ gen đã được Nghị viện châu Âu thông qua vào đầu năm nay. Bây giờ, các quốc gia thành viên EU phải thống nhất về phiên bản cuối cùng của văn bản luật.

 

Do đó, các chính trị gia sẽ quyết định liệu những loại cây này một ngày nào đó có thể mọc trên các cánh đồng ở Châu Âu hay không. Tuy nhiên, cuối cùng, điều đó phụ thuộc vào việc người tiêu dùng có muốn thấy sản phẩm được chỉnh sửa bộ gen trên đĩa của họ hay không. Có lẽ quyết định đó có thể bị ảnh hưởng bởi thực tế là kỹ thuật MiMe không phải là phi tự nhiên như thoạt nhìn có vẻ. Bồ công anh và các loại cây khác như nhiều loại quả mâm xôi và cỏ sinh sản trong tự nhiên hoàn toàn mà không cần giảm phân cái hoặc thụ tinh của tế bào trứng. Rõ ràng, những thảm bồ công anh màu vàng xuất hiện trên đồng cỏ của chúng ta vào mỗi mùa xuân là bằng chứng cho thấy phương thức sinh sản đó hoạt động tốt như thế nào.

 

Vào vấn đề chính:

 

• - Việc lai tạo hai giống có thể tạo ra các cây con lai có những đặc điểm đặc biệt có lợi, nhưng những đặc điểm này sẽ mất đi ở thế hệ tiếp theo.
•  
• - Với kỹ thuật MiMe, cây lai không có giảm phân có thể hình thành tế bào sinh dục vô tính. Tế bào trứng vô tính có thể được sử dụng để phát triển cây vô tính mà không cần thụ tinh. Vật liệu di truyền của những cây mới này giống hệt với cây mẹ, duy trì hiệu suất cao của cây lai trong thời gian dài.
•  
• - Kỹ thuật MiMe cũng có thể được áp dụng trong thiết kế bộ gen đa bội. Điều này cung cấp một lộ trình để tăng sự đa dạng di truyền trong một cây duy nhất bằng cách, ví dụ, kỹ thuật tạo ra cây có bốn bộ nhiễm sắc thể thay vì hai.

 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck