Lúa là một trong những cây ngũ cốc quan trọng nhất trên thế giới. Hơn một nửa dân số thế giới phụ thuộc vào gạo là nguồn cung cấp năng lượng chính từ thực phẩm.

Các giống lúa trong Quỹ gen ngũ cốc của USDA có dạng bông và hạt gạo đa dạng. Sáu loại hạt gạo đa dạng với nhiều màu sắc của vỏ lụa được trình bày trên hình. Ảnh: Lorie A. Bernhardt.

Lúa được trồng khắp nơi trên thế giới. Nhưng người nông dân trồng lúa phải đối mặt với nhiều thách thức. Những điều này bao gồm từ thích ứng với tác động của biến đổi khí hậu đến đối phó với áp lực để tăng năng suất cây trồng.
 

Đó là nơi các ngân hàng gen bắt đầu được sử dụng. Chúng đóng vai trò là kho lưu trữ vật liệu di truyền cây trồng.
 

Georgia Eizenga, thành viên của Hiệp hội Khoa học Cây trồng và Nông học Hoa Kỳ cho biết “Các ngân hàng gen bảo tồn và mô tả tính đa dạng của cây trồng để áp dụng cho việc cải thiện cây trồng, cả hiện tại và cho các thế hệ sau”.
 

Eizenga là tác giả chính của nghiên cứu mới nhằm mục đích tăng cường quản lý và tận dụng tài nguyên gen lúa từ ngân hàng gen ngũ cốc của USDA. Nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Crop Science.

Giống lúa Genekoi từ miền nam Sierra Leone. Hạt giống Genekoi có vỏ lụa đỏ và được đưa vào Quỹ gen ngũ cốc của USDA. Ảnh: Trevis D. Huggins.
 

Ngân hàng gen ngũ cốc thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) chứa nguồn gen từ gần 20.000 giống lúa. Quỹ gen đa dạng này đặc biệt quan trọng đối với ngành lúa gạo Hoa Kỳ.
 

Eizenga nói: “Lúa được du nhập vào Hoa Kỳ từ Châu Á và Châu Phi”. “Việc có một bộ sưu tập đa dạng các giống lúa trên toàn cầu cung cấp một nguồn gen về các tính trạng mới có thể được sử dụng để cải thiện cây trồng”.

Nhưng việc lập danh mục nguồn quỹ gen ngũ cốc này này là một kỳ công. Các thách thức bao gồm miêu tả chi tiết, tìm và sửa lỗi ghi nhãn và loại bỏ các giống vô ích.

Việc sử dụng các đặc điểm vật lý để lập danh mục cho gần 20.000 giống là rất khó khăn. Một số đặc điểm, chẳng hạn như chất lượng nấu ăn và khả năng kháng bệnh, có thể đặc biệt khó xác định. Đó là khía cạnh cần sử dụng các kỹ thuật di truyền có khả năng hữu ích.

Các bông lúa được chọn lọc thể hiện sự đa dạng được tìm thấy trong nguồn quỹ gen của USDA. Ảnh: Laduska J. Sells.
 

Eizenga nói: “Ngân hàng gen lúa của USDA là một nguồn tài nguyên đã được phát triển trong nhiều thập kỷ. Các kỹ thuật phân tử sẽ cho phép chúng tôi sử dụng nguồn tài nguyên này hiệu quả hơn”.
 

Eizenga và các đồng nghiệp đã phát triển một panel các markers di truyền (panel of genetic markers). Các markers di truyền là các chuỗi DNA ngắn, có thể xác định được tìm thấy ở những vị trí cụ thể của bộ gen.
 

Những markers di truyền này đóng vai trò như một hướng dẫn giúp các nhà nghiên cứu xác định nhanh chóng liệu một giống lúa cụ thể có một tính trạng đặc trưng hay không. Điều này giúp việc tìm ra nguồn gen lúa trong quỹ gen ngũ cốc của USDA trở nên dễ dàng hơn và quản lý nó hiệu quả hơn.
 

Lấy ví dụ như khả năng kháng nấm bệnh. Nếu không có các markers di truyền, các nhà chọn tạo giống sẽ bắt đầu trồng một số giống lúa khác nhau. Sau đó, họ sẽ cho cây lúa tiếp xúc với nấm bệnh. Cuối cùng, họ sẽ quan sát giống nào nhiễm bệnh và giống nào kháng.

Quá trình này có thể mất nhiều tháng. Một bộ các markers di truyền hoạt động nhanh hơn nhiều.
 

Các nhà nghiên cứu biết được những gen nào đóng vai trò trong việc kháng bệnh nấm ở lúa. Họ có thể chiết xuất vật liệu di truyền từ các giống lúa khác nhau. Sau đó, họ sử dụng các kỹ thuật sinh học phân tử để kiểm tra giống nào mang gen kháng bệnh.

Thay vì mất hàng tháng, quá trình này có thể được hoàn thành trong vài ngày. Điều đó có thể tiết kiệm thời gian và chi phí.
 

Eizenga cho biết: “Có các markers phân tử cho các tính trạng mà khó biểu hiện kiểu hình có thể làm giảm chi phí xác định các giống lúa. Các markers phân tử cũng có thể làm cho quá trình này đáng tin cậy hơn”.
 

Các markers di truyền cũng giúp các nhà nghiên cứu xác định các giống lúa khác nhau chính xác hơn.

Eizenga nói: “Biết đúng loài, loài phụ và quần thể phụ là điều cần thiết cho các nhà chọn tạo giống và nhà di truyền học”. Đó là trường hợp đặc biệt khi thực hiện các phép lai để chuyển các tính trạng mong muốn vào các giống lúa mới.
 

Các phép lai được thực hiện giữa hai giống lúa có mối quan hệ chặt chẽ có khả năng tạo ra nhiều hạt giống tốt hơn so với phép lai giữa hai giống loài khác nhau. Vì vậy, các markers cho loài, loài phụ và quần thể phụ giúp các nhà chọn tạo giống chọn được giống lúa nào sẽ kết hợp tốt với nhau để cải thiện các giống lúa thông qua lai tạo.
 

Nếu không tạo ra các giống lúa thông qua lai tạo thành công này, các nhà chọn tạo giống không thể chuyển các tính trạng mong muốn vào các giống lúa mới.
 

Eizenga và các đồng nghiệp hiện đang thử nghiệm một công nghệ đánh dấu phân tử mới hơn.
 

Công nghệ này liên quan đến việc tìm kiếm những khác biệt nhỏ trong vật liệu di truyền của các giống lúa khác nhau. Nó sử dụng cái điều được gọi là đa hình nucleotide đơn (SNPs).
 

Eizenga nói “Sử dụng kỹ thuật này sẽ cho phép các giống lúa được đưa vào danh mục nhanh hơn và ít tốn kém hơn”.

Nguyễn Tiến Hải theo Agronomy.