Các nhà khoa học đã khám phá ra những vùng ẩn của nhiễm sắc thể thực vật, mở ra những hướng đi mới cho việc chọn tạo giống cây trồng

Các nhà khoa học trong nhóm của Raphael Mercier tại Viện Nghiên cứu Chọn giống Cây trồng Max Planck ở Cologne đã phát hiện ra cách tiếp cận các vùng lớn trong bộ gen thực vật mà các nhà lai tạo giống không thể tiếp cận được trong nhiều thế hệ. Phát hiện này, được công bố tuần này trên tạp chí Nature Plants, có thể có ý nghĩa quan trọng đối với việc phát triển các giống cây trồng cải tiến với khả năng kháng bệnh, năng suất và khả năng chống chịu biến đổi khí hậu tốt hơn.

Hạt giống của cây Arabidopsis thaliana biểu hiện protein huỳnh quang được sử dụng để đánh giá giá trị tổ hợp tái sinh gần tâm nhiễm sắc tố. Hạt chỉ có màu đỏ hoặc xanh lục cho thấy một tổ hợp sự kiện tái sinh. (Josélle Fernandes).

Khi thực vật sinh sản hữu tính, nhiễm sắc thể của chúng sẽ xáo trộn vật chất di truyền thông qua một quá trình gọi là tái tổ hợp chéo, về cơ bản là trao đổi các đoạn DNA giữa các cặp nhiễm sắc thể. Sự xáo trộn này cho phép các nhà lai tạo kết hợp các đặc điểm mong muốn từ các giống cây trồng khác nhau. Tuy nhiên, các vùng lớn của nhiễm sắc thể xung quanh các cấu trúc gọi là tâm động lại hầu như không thể tiếp cận được đối với quá trình này. Ở nhiều loại cây trồng, những "vùng lạnh" này có thể rất lớn  như ở lúa mì và lúa mạch, chúng bao phủ hơn một nửa mỗi nhiễm sắc thể. Các gen bị mắc kẹt trong các vùng này về cơ bản là vô hình đối với các nhà lai tạo, những người không thể kết hợp hoặc tách chúng khỏi các đặc điểm lân cận. Ví dụ, ở lúa mạch, 18% tổng số gen nằm trong các vùng không thể tiếp cận này. Ở cà chua, một gen quan trọng mang lại khả năng kháng virus gây hại bị khóa trong một vùng như vậy cùng với hàng triệu cặp bazơ vật chất di truyền không mong muốn mà các nhà lai tạo đã không thể loại bỏ trong nhiều thập kỷ.

Nghiên cứu mới này xác định ba gen: CTF18 , SGO2 và SPF2, hoạt động như những người gác cổng, chủ động ngăn chặn sự tái tổ hợp gen gần tâm nhiễm sắc thể. Khi các nhà nghiên cứu vô hiệu hóa bất kỳ gen nào trong số này ở cây mô hình Arabidopsis thaliana , hiện tượng trao đổi chéo xảy ra ở những vùng chưa từng thấy trước đây. Hơn nữa, việc vô hiệu hóa riêng gen SPF2 làm tăng sự tái tổ hợp lên hơn ba lần ở những vùng trước đây được coi là "lạnh". Khi nhiều gen bị vô hiệu hóa đồng thời, hiệu quả thậm chí còn lớn hơn, cho thấy rằng một số cơ chế phân tử độc lập hoạt động cùng nhau để giữ cho các vùng nhiễm sắc thể này được khóa.

Điều quan trọng là, các cây có gen bị vô hiệu hóa phần lớn vẫn khỏe mạnh và có khả năng sinh sản bình thường, tạo ra số lượng hạt giống bình thường. Chỉ những tổ hợp đột biến cực đoan nhất mới gây ra sự suy giảm khả năng sinh sản, và không có khuyết tật về sinh trưởng nào được quan sát thấy ở bất kỳ cây đột biến nào. Điều này cho thấy việc mở khóa các vùng nhiễm sắc thể này là an toàn về mặt sinh học, ít nhất là ở một mức độ đáng kể.

Một phát hiện đặc biệt đầy hứa hẹn là các cây chỉ mang một bản sao bị đột biến của gen SPF2 hoặc SGO2, thay vì hai bản sao, đã cho thấy sự gia tăng tái tổ hợp ở các vùng bị ức chế trước đó. Hiệu ứng đồng trội này có nghĩa là các đột biến có thể được ứng dụng dễ dàng hơn trong các chương trình lai tạo mà không cần phải thay đổi cả hai bản sao của gen.

Ba gen được xác định này được bảo tồn trong toàn bộ giới thực vật, và cả ở các loài xa hơn, bao gồm cả động vật. Các nhà nghiên cứu tin rằng phát hiện của họ có thể được áp dụng cho các loại cây trồng chính như lúa mì, lúa mạch, ngô và cà chua, nơi các vùng nhiễm sắc thể bị khóa thậm chí còn lớn hơn. Các tác giả hình dung rằng những đột biến này có thể được tạm thời đưa vào các dòng giống để mở khóa các tổ hợp gen mong muốn, và sau đó loại bỏ chúng khi công việc hoàn thành, có nghĩa là các giống cây trồng cuối cùng sẽ không mang các đột biến này.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck.