Cà chua hoang dã vẫn giữ được hương vị đã bị mất qua quá trình chọn tạo giống: bản đồ mới chỉ dẫn các nhà chọn tạo giống xác định nơi cần tìm kiếm

Cà chua hiện đại là một câu chuyện thành công về lai tạo tương tự. Nhiều thế hệ chọn lọc đã giúp họ nhiều hơn, chắc chắn hơn, hiệu suất cao hơn và dễ dàng chuyển đổi hơn. Nhưng sự tiến bộ đó cũng có cái giá của nó. Quá trình tĩnh hóa và lai tạo tương tự đã làm giảm đáng kể sự đa dạng của truyền cây trồng và hương vị của chúng rất khó để khôi phục lại thông qua lai tạo.

Các loài họ hoang dã của cà chua vẫn còn lưu giữ nhiều đặc điểm đã mất. Một số loài có chứa hàm lượng cao sắc tố đỏ lycopene và một số loài lưu trữ theo cách khác. Những loài khác như Solanum pennellii và Solanum neorickii, hoàn toàn không chuyển sang màu đỏ. Các nhà lai tạo tương tự từ lâu đã muốn biết những yếu tố di truyền nào tạo ra các đặc điểm này và những yếu tố đáng được phục hồi.

Một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại Viện Boyce Thompson (BTI) đã cung cấp một bản đồ chi tiết về các cơ chế kiểm soát đó. Nhóm nghiên cứu đã so sánh cách các gen hoạt động trong cà chua trồng và ba loài họ hàng hoang dã trên các mô hình khác nhau và các giai đoạn phát triển và chín. Điều đó cho phép họ xác định chính xác các "công tắc điều chỉnh" di truyền đằng sau màu sắc, độ ngọt, độ đắng và hương thơm, cung cấp cho các nhà lai tạo một danh sách các mục tiêu để phát triển các loại cà chua ngon hơn và bổ sung hơn.

Nhóm nghiên cứu BTI do nhà nghiên cứu cấp cao Carmen Catala và giáo sư Zhangjun Fei dẫn đầu, cùng với giáo sư giảng dạy và nhà khoa học của USDA, James Giovannoni.

Cà chua hoang dã là nguồn dự trữ khổng lồ về sự đa dạng liên quan đến hương vị, giá trị dinh dưỡng và khả năng chống chịu; tuy nhiên, việc đưa những đặc tính này vào các giống cây hiện đại có thể làm ảnh hưởng đến những đặc tính khác mà các nhà chọn giống đã mất nhiều thập kỷ để cải thiện, chẳng hạn như năng suất, kích thước quả hay thời gian bảo quản. Vấn đề này có thể được giải quyết nhờ vào những thông tin chính xác về cơ chế kiểm soát các gen quy định những đặc tính đó”, Catala cho biết.

Cùng một ổ cắm, nhưng bộ điều chỉnh độ sáng khác nhau

Hãy hình dung mỗi gen như một chiếc đèn. Một số đèn tỏa sáng rực rỡ, số khác chỉ sáng mờ nhạt, mức độ sáng này quyết định cách quả phát triển, chín và hương vị của nó. Có hai cách để thay đổi độ sáng của đèn.

Cách thứ nhất là thông qua bộ điều chỉnh độ sáng được tích hợp ngay trên thân đèn. Các nhà khoa học gọi đây là hiệu ứng ‘cis’ (hiệu ứng tại chỗ): Sự thay đổi ở đoạn DNA nằm ngay cạnh gen, có chức năng kiểm soát mức độ hoạt động của chính gen đó. Cách thứ hai là thông qua hệ thống dây điện của tòa nhà. Đây là hiệu ứng ‘trans’ (hiệu ứng từ xa): Sự thay đổi ở một vị trí khác trong bộ gen làm thay đổi nguồn cung cấp năng lượng, thường tác động đến nhiều gen cùng lúc.

Nhìn từ bên ngoài, cả hai trường hợp trông có vẻ giống nhau vì chúng đều khiến đèn sáng hơn hoặc mờ đi. Để phân biệt, nhóm nghiên cứu đã lai tạo cà chua trồng trọt với từng loài cà chua hoang dã để tạo ra các cây lai. Cây lai mang một bản sao của mỗi gen từ cả hai cây bố mẹ và cả hai bản sao này cùng hoạt động trong cùng một tế bào. Về cơ bản, quá trình này giống như việc cắm cả chiếc đèn của giống trồng trọt và chiếc đèn của giống hoang dã vào cùng một ổ cắm, sử dụng cùng một hệ thống dây điện.

"Cây lai mang lại cho chúng tôi một thí nghiệm có kiểm soát tự nhiên", Fei cho biết. "Cả hai phiên bản của mỗi gen đều nằm trong cùng một tế bào và nhận cùng các tín hiệu điều hòa. Nếu một phiên bản hoạt động mạnh hơn phiên bản kia, chúng tôi biết rằng sự khác biệt đó nằm ngay trong đoạn DNA kế cận gen đó".

Các nhà nghiên cứu đã đo lường mức độ hoạt động của gen tại ba loại mô của quả (phần thịt quả bên ngoài, phần giá noãn và lớp chất nhầy bao quanh hạt) ở tối đa bốn giai đoạn, từ lúc mới phát triển cho đến khi quả chín.

Ở mọi loài, mọi loại mô và mọi giai đoạn phát triển, các thay đổi kiểu ‘cis’ là nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt về hoạt động của gen, chúng tác động đến tới 23,5% số gen đang hoạt động, trong khi các thay đổi kiểu ‘trans’ chỉ ảnh hưởng đến tối đa 4,6% số gen này. Số lượng gen có sự khác biệt về cơ chế điều hòa tăng gần gấp đôi ở các loài họ hàng hoang dã có quan hệ xa hơn so với loài ‘S. pimpinellifolium’ – loài họ hàng gần nhất của cà chua trồng trọt. Nhiều cơ chế điều hòa này cũng mang tính đặc hiệu cao, chỉ hoạt động tại một loại mô nhất định vào một thời điểm cụ thể trong quá trình phát triển của quả.

Giải mã các đặc tính về màu sắc, độ ngọt và vị đắng

Bản đồ điều hòa gen giúp giải thích một số đặc điểm nổi bật của quả cà chua. Ở các loài cho quả màu xanh, các biến đổi ‘cis’ kích hoạt những gen điều hướng con đường tổng hợp sắc tố tránh xa lycopene – loại sắc tố đỏ mang lại màu sắc và phần lớn giá trị dinh dưỡng cho cà chua. Điều này lý giải tại sao những loại quả này vẫn giữ màu xanh.

Một cặp gen liên quan đến đường giúp giải thích sự khác biệt về độ ngọt. Ở các loài cho quả màu xanh, một gen phân giải sucrose và một gen khác ngăn chặn quá trình này hoạt động phối hợp với nhau, cho phép quả giữ lại lượng sucrose cao hơn.

Dữ liệu cũng cho thấy sự tồn tại của một cơ chế chuyển đổi trong quá trình phát triển liên quan đến vị đắng. Ở giai đoạn đầu phát triển, cơ chế điều hòa ‘trans’ giúp duy trì hàm lượng cao các hợp chất phòng vệ có vị đắng gọi là glycoalkaloid trong quả non. Sau đó, các biến đổi ‘cis’ ở giống cà chua trồng trọt sẽ chuyển hóa các hợp chất này thành dạng không đắng khi quả chín – một cơ chế được nghiên cứu mô tả là "phòng vệ ở giai đoạn đầu, ăn được khi chín".

Ông Giovannoni cho biết: "Các nhà chọn giống luôn biết rằng cà chua dại sở hữu những đặc tính quý giá, nhưng việc sử dụng chúng trong lai tạo cũng mang lại cả những đặc tính không mong muốn, đòi hỏi nhiều thời gian và công sức để loại bỏ. Điều họ còn thiếu là phương pháp xác định chính xác gen nào trong hàng ngàn khác biệt di truyền chịu trách nhiệm cho từng đặc tính, nhằm giúp công tác chọn lọc có trọng tâm hơn. Giờ đây, chúng ta có thể xác định cụ thể các gen cần chọn lọc, cũng như biết được tác động của chúng tại những mô nhất định và vào những thời điểm cụ thể trong quá trình phát triển và chín của quả".

Nhóm nghiên cứu đã công bố rộng rãi dữ liệu của mình – bao gồm cả hai bộ gen cà chua dại mới được giải mã và lắp ráp – tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà chọn giống và nhà nghiên cứu trên toàn thế giới trong việc đưa những đặc tính ưu việt của cà chua dại vào các giống cà chua thương phẩm.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Boyce Thompson.