Tế bào trứng trong túi phôi ở cây bồ công anh sinh sản hữu tính, chờ được thụ tinh. Nguồn: Đại học Wageningen.

Các nhà nghiên cứu từ Keygene, Viện Nghiên cứu và trường Đại học Wageningen (WUR) hợp tác với đồng nghiệp từ Nhật Bản và New Zealand, đã phát hiện ra một gen có khả năng tạo ra hạt từ cây trồng có thuộc tính di truyền là cây mẹ và không cần quá trình thụ phấn.

Thuật ngữ này được gọi là sinh sản vô tính, cho phép thực vật có sự kết hợp nhiều tính trạng ưu việt tạo ra thế hệ con cháu có cùng tổ hợp gen mong muốn như ở cây mẹ. Cùng với các nhà nghiên cứu từ công ty chăn nuôi Nhật Bản Takii, Trung tâm Nghiên cứu Thực vật và Thực phẩm của New Zealaand và Đại học Lincoln, các nhà nghiên cứu KeyGene và WUR giải thích trên tạp chí Nature Genetics về cách thức hoạt động của gen và cách nó ảnh hưởng đến nghiên cứu của Gregor Mendel. Sự phát hiện này được kỳ vọng sẽ dẫn tới những sự đổi mới lớn trong lĩnh vực chọn tạo giống cây trồng trong những năm tới.

Gen được tìm thấy được đặt tên là PAR, được làm ngắn hơn từ quá trình sinh sản đơn tính, quá trình mà tế bào trứng phát triển thành phôi thực vật mà không được thụ tinh của các tế bào trứng. Sự phát hiện này đánh dấu một bước đột phá rất có ý nghĩa và nâng cao công việc của nhóm nghiên cứu đã được bắt đầu tại Keygene hơn 15 năm trước.

Cải tiến trong nông nghiệp

Sinh sản vô tính được xem là một quá trình quý giá trong nông nghiệp. Bởi vì những cây vô tính sản sinh ra hạt giống từ cây mẹ, quá trình này cho phép kết hợp những tính trạng ưu việt của thực vật. Do đó, sinh sản vô tính có thể đẩy nhanh quá trình lai tạo các loại cây trồng cải tiến, làm cho việc sản xuất hạt giống ít tốn kém và mang nhiều thuận lợi cho việc lai tạo giống để tạo ra nhiều giống cây trồng hơn trên thế giới.

Trong khi tầm quan trọng của sinh sản vô tính trong nông nghiệp đã được công nhận khá lâu, nó vẫn chưa được ứng dụng thành công vào quá trình chọn giống. Năm 2018, một gen được khám phá có thể sử dụng cho sinh sản đơn tính ở lúa gạo, nhưng hiện nay các nhà khoa học biết rằng gen đó hoạt động trên các loại cỏ.

15 năm nghiên cứu

Một nhóm nhà nghiên cứu từ công ty Keygene ở Hà Lan đã bắt đầu khai thác di truyền học đằng sau sinh sản vô tính trong những năm 2000 từ ý tưởng tìm những gen có khả năng đột phá để sử dụng sinh sản vô tính ở cây trồng. Năm 2016, nhóm Keygene là nhóm đầu tiên khám phá gen DIP -  gen tạo ra lưỡng bội, một trong hai bước liên quan tới sinh sản vô tính.

Gen DIP đảm bảo rằng số lượng nhiễm sắc thể không bị giảm đi một nửa trong suốt quá trình hình thành tế bào trứng. Bước quan trọng khác trong quá trình sinh sản vô tính là các tế bào trứng này với số lượng nhiễm sắc thể bình thường bắt đầu phân chia mà không cần thụ tinh và phát triển thành phôi. Quá trình này được gọi là quá trình sinh sản đơn tính. Do đó, các nhà nghiên cứu Keygene đã bắt đầu tìm kiếm gen PAR và tham gia vào nhóm Hệ thống sinh học của Trường Đại học Wageningen.

Bồ công anh

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng bồ công anh cho nghiên cứu của họ, một trong 400 loài thực vật hoang đã được biết là sinh sản vô tính. Gen PAR đảm bảo rằng tế bào trứng phát triển thành phôi thực vật mà không trải qua quá trình thụ tinh. Nhóm nghiên cứu KeyGene đã chứng minh rằng gen PAR hoạt động trong phấn hoa.

Tế bào trứng bị đánh lừa

Nhóm hệ thống sinh học của đại học Wageningen đã khám phá ra rằng gen PAR thường không hoạt động trong tế bào trứng. Thông thường, gen PAR chỉ trở nên hoạt động trong tế bào trứng sau khi thụ tinh, sau đó nó phân chia để tạo thành phôi thực vật. Trong tế bào trứng của cây bồ công anh mà nó hình thành hạt thông qua quá trình sinh sản vô tính, gen PAR trở nên hoạt động trước khi thụ tinh. Nói một cách khác, những tế bào trứng này nghĩ rằng chúng đã được thụ tinh và bắt đầu phân chia mà không trải qua quá trình thụ tinh.

Mendel

Ở New Zealand, các gen sinh sản đơn tính cũng đang được nghiên cứu bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Lincoln và Trung tâm nghiên cứu Thực vật và Thực phẩm. Nghiên cứu của họ tập trung vào cây họ cúc, một chi thực vật mà Gregor Mendel đã nghiên cứu. Trong giữa những năm 1800, Mendel đã ghi chú rằng những đặc tính thực vật được di truyền khác nhau trên cây đậu Hà Lan và cây họ Cúc nhưng ông không thể giải thích được tại sao. Bây giờ chúng tôi biết rằng điều này là bởi vì đậu Hà lan sinh sản hữu tính trong khi cây họ Cúc sinh sản vô tính.

Cây họ Cúc và bồ công anh thuộc cùng một họ thực vật vì vậy các nhà nghiên cứu ở New Zealand đã so sánh gen PAR với gen của cây họ Cúc và đã phát hiện ra điều mà các nhà nghiên cứu KeyGene cũng quan sát được ở bồ công anh: trong khi tất cả thực vật chứa gen PAR, thì những cây sinh sản vô tính có thêm một đoạn DNA trong gen. Đoạn DNA bổ sung này dường như ở cùng vị trí trên cây họ Cúc và cây bồ công anh, mặc dù loại thực vật này được cho là đã tách ra từ một tổ tiên chung hơn mười ba triệu năm trước.

Gen nhảy

Phân tích khác thể hiện rằng đoạn DNA bổ sung còn được gọi là tranposon: một đoạn DNA có thể “nhảy” bên trong DNA thực vật. Ở cây họ cúc và bồ công anh transposon được định vị tại promoter, vùng mà gen PAR điều hoà hoạt động của gen. Hiện nay các nhà nghiên cứu giả định rằng những gen nhảy này kết thúc tại promoter của gen PAR một cách độc lập trong cả hai loài thực vật và cho rằng đó là trường hợp tiến hoá song song.

Tương lai của cây trồng

Một câu hỏi quan trọng tiếp theo là liệu gen PAR từ bồ công anh và những kiến thức mới về di truyền đằng sau sinh sản vô tính có thể sử dụng để lai tạo ra hạt giống vượt trội về mặt di truyền hay không.

Mặc dù hầu hết các loài thực vật không sử dụng sinh sản vô tính, hầu hết chúng có những gen tương tự gen PAR cũng như các gen DIP được tìm thấy trước đó của bồ công anh. Điều này cho thấy sinh sản vô tính hoạt động tự nhiên như là một sự thay đổi của quá trình sinh sản hữu tính và do đó, khả năng sinh sản vô tính có thể ứng dụng rộng rãi để cải tiến nông nghiệp bằng cách sử dụng các công cụ hiện đại như là chỉnh sửa gen.

Các nhà nghiên cứu KeyGene đã tiến hành nghiên cứu này. Trong nghiên cứu gần đây, cùng với các nhà khoa học của Takii Seed, họ đã thành công trong việc chứng minh gen PAR có thể gây ra sinh sản đơn tính ở rau xà lách và hoa hướng dương, hứa hẹn triển vọng của việc sinh sản vô tính trên cây trồng.

Trương Thị Tú Anh theo Phys.org