Các nhà nghiên cứu xác định gen quy định kích thước búp ở cây chè

Cây chè (Camellia sinensis) là một trong những cây trồng đồ uống quan trọng nhất trên thế giới. Kích thước của búp chè không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng của nguyên liệu chè tươi mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định mức độ phù hợp của nguyên liệu đối với các loại trà khác nhau. Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học thuộc Viện Nghiên cứu Chè, Viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc (Chinese Academy of Agricultural Sciences) đã thu thập hình ảnh búp ngọn của 280 nguồn gen chè đại diện ở giai đoạn một tôm hai lá. Phân tích đa dạng di truyền cho thấy các chỉ tiêu về chiều dài, chiều rộng, chu vi và diện tích búp chè đều có phân bố chuẩn. Phân tích so sánh hệ phiên mã (comparative transcriptomic analysis) giữa các vật liệu có kích thước búp lớn nhất và nhỏ nhất cho thấy mức độ biểu hiện của bốn gen KNOX có tương quan nghịch đáng kể với kích thước búp chè. Phân tích sâu hơn chỉ ra rằng CsKNOX6 có thể là gen quan trọng đóng vai trò điều hòa âm đối với kích thước búp chè.

Cây chè (Camellia sinensis). Nguồn: Yonghan Kim.

Cây chè là một trong những cây trồng được canh tác để sản xuất ra thức uống quan trọng nhất trên thế giới, được canh tác tại hơn 60 quốc gia và vùng lãnh thổ, với hơn 2 tỷ người trên toàn cầu sử dụng chè.

Trong sản xuất chè chất lượng cao, búp chè thường được thu hái theo các tiêu chuẩn như: một tôm (một búp), một tôm một lá và một tôm hai lá.

Kích thước của búp chè không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng nguyên liệu tươi mà còn liên quan chặt chẽ đến mức độ phù hợp của nguyên liệu đối với quá trình chế biến.

Các loại chè khác nhau có hình dạng thành phẩm khác nhau và do đó cũng có những yêu cầu khác nhau về kích thước của búp và lá.

Trong một thời gian dài, các nghiên cứu về cơ chế phân tử điều hòa kích thước búp và lá chè còn rất hạn chế, làm cản trở đáng kể các nỗ lực cải tiến di truyền đối với tính trạng quan trọng này.

Việc phân tích cơ chế điều hòa di truyền của kích thước búp chè có ý nghĩa tiềm năng trong việc cải thiện giống chè và nâng cao năng suất.

Trong nghiên cứu mới, tiến sỹ Jiedan Chen và các cộng sự đã định lượng chiều dài, chiều rộng, chu vi và diện tích búp trên 280 nguồn gen chè đa dạng.

Các tính trạng này biểu hiện sự biến thiên liên tục và có hệ số di truyền cao, cho thấy chúng chịu sự kiểm soát mạnh mẽ của yếu tố di truyền.

Phân tích so sánh hệ phiên mã (comparative transcriptome analysis) giữa các giống chè có kích thước búp lớn nhất và nhỏ nhất đã xác định bốn yếu tố phiên mã KNOX lớp I (Class I KNOX transcription factors) là những gen ứng viên có mức biểu hiện cao hơn rõ rệt ở các giống có búp nhỏ. Trong số đó, phân tích liên kết trên toàn hệ gen (Genome-Wide Association Study- GWAS) đã xác định CsKNOX6 là gen có nhiều khả năng đóng vai trò điều hòa then chốt. Gen CsKNOX6 nằm trên nhiễm sắc thể số 10 và trình tự của gen này cho thấy protein được định vị trong nhân tế bào, phù hợp với chức năng điều hòa phiên mã.

Để kiểm chứng chức năng của gen, các nhà nghiên cứu đã tạo dòng biểu hiện quá mức (overexpression) của CsKNOX6 trên cây mô hình Arabidopsis thaliana. Các cây chuyển gen xuất hiện sự phát triển bất thường của chồi và có lá nhỏ hơn đáng kể; diện tích lá giảm xuống chỉ còn khoảng 13% so với cây đối chứng (cây hoang dại). Các bằng chứng thực nghiệm này khẳng định rằng CsKNOX6 hoạt động như một yếu tố điều hòa âm (negative regulator) đối với kích thước búp và lá.

Các nhà khoa học cho biết: “Kích thước búp là một tính trạng rất quan trọng, ảnh hưởng đến cả năng suất nông học lẫn chất lượng thương mại của cây chè. Việc xác định được CsKNOX6 cung cấp mục tiêu di truyền trực tiếp cho công tác chọn giống, bao gồm cả chọn giống có dựa vào chỉ thị phân tử”.

Họ cũng nhấn mạnh: “Mặc dù việc kiểm chứng chức năng trên Arabidopsis đã cung cấp bằng chứng thuyết phục, nhưng các nghiên cứu tiếp theo sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen hoặc chuyển gen trực tiếp trên cây chè sẽ là cần thiết để khẳng định cơ chế điều hòa ở loài cây thân gỗ lâu năm này”.

Theo nhóm nghiên cứu: “Khám phá này đặt nền tảng cho các chiến lược chọn giống chính xác nhằm nâng cao năng suất, tính đồng đều và khả năng đáp ứng các mục tiêu sản xuất của các giống chè”.

“Việc xác định CsKNOX6 mở ra những cơ hội mới để phát triển các giống chè có kích thước búp được tối ưu hóa cho các mục đích sản xuất khác nhau, chẳng hạn như chè cao cấp được hái thủ công hoặc các giống có năng suất cao, phù hợp với thu hoạch cơ giới”.

“Gen này có thể được tích hợp vào các chương trình chọn tạo giống phân tử thông qua việc sử dụng các chỉ thị SNP hoặc các phương pháp chỉnh sửa gen nhằm tinh chỉnh quá trình sinh trưởng và phát triển của cây”.

Bài báo trình bày những phát hiện này được công bố trên tạp chí Horticulture Research.

Nguyễn Tiến Hải theo Sci.news