Bí mật bộ gen khoai tây châu Âu: Nhỏ nhưng khác biệt lớn

Các nhà nghiên cứu từ LMU và Viện Nghiên cứu Nhân giống Cây trồng Max Planck đã tái tạo bộ gen của mười giống khoai tây lịch sử và phát hiện rằng chúng đã bao phủ 85% tổng độ biến đổi của các giống khoai tây hiện đại ở châu Âu.

Ngoài củ khoai tây, cây khoai tây còn có những bông hoa lớn tuyệt đẹp.

Khoai tây là nguồn thực phẩm quan trọng của hơn 1,3 tỷ người trên toàn thế giới. Mặc dù có vai trò lớn đối với an ninh lương thực toàn cầu, nhưng những tiến bộ trong nhân giống khoai tây vẫn còn tương đối hạn chế. Đáng chú ý, nhiều giống khoai tây phổ biến hiện nay đã được lai tạo từ hàng chục năm trước.

Nguyên nhân chính của sự chậm tiến này là do bộ gen phức tạp của khoai tây. Không giống như các loài thực vật thông thường có hai bộ gen, mỗi tế bào khoai tây chứa bốn bản sao của bộ gen, gây khó khăn cho các phương pháp lai tạo truyền thống.

Tuy nhiên, một bước đột phá quan trọng đã được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu do giáo sư Korbinian Schneeberger dẫn đầu tại Đại học Ludwig-Maximilians München (LMU) và Viện Nghiên cứu Nhân giống Cây trồng Max Planck. Theo công bố trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu đã tái tạo thành công bộ gen của mười giống khoai tây lịch sử. Quan trọng hơn, họ đã sử dụng dữ liệu này để phát triển một phương pháp mới, giúp tái tạo bộ gen khoai tây nhanh hơn và hiệu quả hơn. Thành tựu này mở ra triển vọng lớn trong việc cải thiện giống khoai tây và nâng cao năng suất trồng trọt.

Trong một nghiên cứu hợp tác với Đại học Wageningen, Viện Di truyền Thực vật và Nghiên cứu Cây trồng Leibniz (IPK) và Đại học Jiaotong Tây An (Trung Quốc), nhóm nghiên cứu đã chọn các giống khoai tây lịch sử, một số đã được trồng từ thế kỷ 18.

Giáo sư Schneeberger chia sẻ: "Những giống khoai tây này có nguồn gốc từ thời kỳ đầu của các chương trình nhân giống châu Âu. Chúng tôi muốn đánh giá mức độ đa dạng di truyền của chúng để hiểu rõ hơn về tiềm năng di truyền của khoai tây hiện đại".

Kết quả nghiên cứu cho thấy sự đa dạng di truyền của khoai tây khá hạn chế. Chỉ với mười giống khoai tây lịch sử, các nhà khoa học đã bao phủ khoảng 85% tổng sự biến đổi di truyền của tất cả các giống khoai tây hiện đại ở châu Âu. Điều này cho thấy các giống khoai tây ngày nay phần lớn kế thừa nguồn gen từ một nhóm hạn chế các giống tổ tiên.

Phát hiện này mở ra hướng đi mới trong cải thiện nhân giống khoai tây, giúp các nhà nghiên cứu tìm kiếm phương pháp gia tăng sự đa dạng di truyền, nâng cao năng suất và khả năng thích nghi của cây trồng.

Hiệu ứng thắt cổ chai sau khi khoai tây được du nhập từ Nam Mỹ

Các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng hiệu ứng thắt cổ chai đóng vai trò quan trọng trong sự hạn chế đa dạng di truyền của khoai tây. Khoai tây bắt đầu được du nhập từ Nam Mỹ vào thế kỷ 16, nhưng số lượng giống ban đầu rất ít và phần lớn không thể thích nghi với môi trường châu Âu.

Quá trình này đã thu hẹp nguồn gen và tình trạng càng trầm trọng hơn do ảnh hưởng của dịch bệnh. Một minh chứng điển hình là đại dịch bệnh mốc sương vào những năm 1840, khiến mùa màng thất bát và dẫn đến nạn đói thảm khốc, đặc biệt ở Ireland, nhưng cũng ảnh hưởng nghiêm trọng đến nhiều khu vực khác ở châu Âu.

Một phát hiện đáng ngạc nhiên từ nghiên cứu cho thấy sự khác biệt giữa các bản sao nhiễm sắc thể của khoai tây có thể rất lớn.

Giáo sư Schneeberger giải thích: "Do nguồn gen khoai tây khá hạn chế, số lượng nhiễm sắc thể khác nhau không nhiều. Tuy nhiên, khi có sự khác biệt, mức độ phân hóa của chúng vượt xa bất kỳ loài thực vật thuần hóa nào trước đây".

Điều thú vị là sự khác biệt này lớn gấp khoảng 20 lần so với ở con người. Theo các nhà khoa học, những khác biệt này xuất hiện từ trước khi khoai tây được đưa vào châu Âu. Người bản địa Nam Mỹ bắt đầu thuần hóa khoai tây khoảng 10.000 năm trước và quá trình này có thể đã dẫn đến sự lai tạo với các loài hoang dã, góp phần làm phong phú thêm hệ gen.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp đột phá để phân tích bộ gen của 2.000 giống khoai tây được đăng ký tại Liên minh Châu Âu.

Thay vì mất nhiều thời gian và công sức để tạo dữ liệu nhằm tái tạo bộ gen, phương pháp này so sánh dữ liệu thu thập nhanh chóng với các bộ gen đã biết để xác định các nhiễm sắc thể có mặt trong từng giống khoai tây.

Các nhà khoa học đã chứng minh hiệu quả của phương pháp này với giống Russet Burbank, một giống khoai tây ra đời từ năm 1908 và vẫn là tiêu chuẩn cho khoai tây chiên hiện nay.

Giáo sư Schneeberger nhấn mạnh: "Kiến thức về trình tự bộ gen là nền tảng cho nhiều phương pháp nhân giống cây trồng, từ lai tạo truyền thống đến kỹ thuật chỉnh sửa gen hiện đại. Trong tương lai, chúng ta sẽ không còn phải làm việc thiếu thông tin này nữa".

Phát hiện này mở ra triển vọng mới cho ngành nhân giống khoai tây, giúp cải thiện năng suất, chất lượng và khả năng thích nghi với môi trường một cách hiệu quả hơn.

Bùi Anh Xuân theo Viện Max Planck.