Cơ sở di truyền các tính trạng cơ bản của quả cà chua dại

Các loài cà chua hoang dại đại diện cho một nguồn gen phong phú với nhiều đặc điểm mong muốn bị mất trong quá trình thuần hóa. Trong số đó có loài mạnh mẽ trong môi trường khắc nghiệt hoặc có khả năng chống lại các mầm bệnh khác nhau. Nguồn: IPK.

Các loài cà chua hoang dại đại diện cho một nguồn gen phong phú với nhiều đặc điểm mong muốn bị mất trong quá trình thuần hóa. Một nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà khoa học từ Viện Khoa học Weizmann và IPK, đã khai thác một quần thể xâm nhập của các loài hoang dã thích nghi với sa mạc và giống cà chua đã được thuần hóa để điều tra sự chuyển giao các đặc điểm quả có liên quan đến loài hoang dã trên mức độ di truyền, quy định và trao đổi chất. Kết quả đã được công bố trên tạp chí Nature Genetics.

Việc thuần hóa và nhân giống thâm canh cà chua sau đó có tác động lớn đến quá trình chín của quả và vô số quá trình trao đổi chất đi kèm với nó. Kết quả là, các giống cà chua hiện đại thể hiện một loạt các đặc điểm nguyên mẫu của quả, ví dụ: kết cấu, kích thước, hương thơm, sắc tố và hương vị. Đồng thời, việc chọn lọc liên tục thông qua nhân giống dẫn đến giảm đa dạng di truyền và loại bỏ liên tục các phẩm chất quả đáng kể, chẳng hạn như sự khỏe mạnh của cây trong điều kiện khô hạn hoặc khả năng chống lại các mầm bệnh khác nhau.

Trong nghiên cứu này, các nhà khoa học đã sử dụng các nguồn gen tiên tiến, cùng với cấu hình phân tử và kiểu hình đa phương thức, để thực hiện phân tích QTL tích hợp trong quả cà chua. 580 dòng xâm nhập được phát triển trong phòng thí nghiệm của GS. Dani Zamir từ Đại học Hebrew ở Jerusalem. Mỗi dòng này mang một mảnh nhỏ của cà chua dại Solanum pennellii trên nền của giống cà chua hiện đại M82. Nhóm nghiên cứu của GS. Asaph Aharoni từ Viện Khoa học Weizmann đã thực hiện một mô hình đa phương thức các loại quả từ toàn bộ quần thể, bao gồm xác định trình tự RNA, chuyển hóa dựa trên khối phổ và xét nghiệm độ nhạy mầm bệnh ở các giai đoạn phát triển khác nhau. Nguồn dữ liệu khổng lồ được sử dụng trong phân tích QTL nhiều cấp và cho phép TS. Jedrzej Jakub Szymanski, người đứng đầu nhóm nghiên cứu "Mạng và Mô hình hóa" tại IPK, rút ra các mối liên hệ nhân quả giữa sự biến đổi trình tự di truyền, sự thay đổi số lượng trong mức độ biểu hiện gen và chất chuyển hóa, cùng sự thay đổi các tính trạng kiểu hình phức tạp.

Từ hàng trăm tương tác đã xác định, nhóm đã chọn ra một số ứng viên thú vị. TS. Szymanski cho biết: “Chúng tôi tập trung vào tác động của gen S. pennellii lên các chất chuyển hóa thứ cấp (chuyên biệt) liên quan đến dinh dưỡng của con người và khả năng chống lại mầm bệnh của quả, hai đặc điểm sinh hóa rất tương phản ở các loài cà chua dại và cà chua thuần hóa”. Nhóm nghiên cứu đã định danh và xác định đặc điểm của một bước enzym trong con đường dự đoán nơi mà α-tomatine - alkaloid kháng dinh dưỡng và bảo vệ cơ bản có trong quả cà chua xanh - được chuyển đổi thành esculeosides và lycoperosides trong quá trình chín của quả.

Theo Szymanski, “Sự thay đổi hóa học này có thể rất quan trọng để giảm vị đắng do α-tomatine cung cấp và/hoặc chống lại nhu cầu tạm thời cần cho các chất chuyển hóa trong quả. Hơn nữa, đã xác định các locus và gen liên quan đến sự tích tụ flavonoid tăng cường sức khỏe trong mô vỏ quả. Những thay đổi quan sát được trong biểu hiện gen và chuyển hóa - ví dụ như sự tích tụ của các chất chuyển hóa bảo vệ - cũng ảnh hưởng đến các kiểu hình phức tạp, chẳng hạn như khả năng kháng mầm bệnh. Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi quan sát thấy sự gia tăng khả năng chống chịu của quả đối với mầm bệnh nấm phổ biến B. cinerea được phản ánh trên nhiều mức độ phức tạp của tế bào — sự biến đổi trong trình tự gen, biểu hiện gen và tích lũy các chất chuyển hóa cụ thể. Kết nối các yếu tố này cho thấy cơ chế dẫn đến sự thay đổi ở cấp độ phân tử đến các hiệu ứng vĩ mô liên quan đến sự tồn tại của thực vật và giá trị thương mại của nó”.

Bộ dữ liệu to lớn được tạo ra là một nguồn tài nguyên duy nhất cho các nhà nghiên cứu. Theo Szymanski, “Mặc dù chúng tôi chỉ có thể mô tả chuyên sâu một số gen và chất chuyển hóa, nhưng bộ dữ liệu có thể được khai thác cho hàng chục, nếu không phải hàng trăm, nhiều ứng viên hơn và có thể được tích hợp với vô số dữ liệu về phenomics đã được công bố có sẵn cho cùng một dòng xâm nhập. Việc khám phá quỹ đạo từ quả cà chua dại sang quả thuần hóa là điều cần thiết để hiểu biết toàn diện về quá trình trao đổi chất của quả và tác động của quá trình chọn lọc của con người đối với các tính trạng tích cực và tiêu cực về chất lượng quả. Chúng tôi dự đoán rằng các liên kết kiểu gen - kiểu hình được tìm ra thông qua nghiên cứu này sẽ là một đóng góp đáng kể cho các nỗ lực nhân giống phân tử hiện nay để chống lại việc loại bỏ liên tục các đặc điểm chất lượng quả quan trọng như hương vị và khả năng kháng mầm bệnh".

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Phys.org