Gene quan trọng trong hàm lượng protein đậu tương được tìm thấy sau 30 năm

Brian Diers, với những cây đậu tương trong nhà kính của Đại học Illinois, bắt đầu cuộc tìm kiếm gen Glyma.20G85100 cách đây 30 năm khi vừa tốt nghiệp đại hoc. Nguồn: Đại học Illinois tại Urbana-Champaign.

Đậu tương vượt trội hơn tất cả các loại đậu khác là nguồn cung cấp protein của vương quốc thực vật, là nguồn protein quan trọng cho con người và gia súc trên khắp thế giới. Và giờ đây, sau 30 năm, các nhà khoa học của Đại học Illinois đã xác định được gen có tác động lớn nhất đến protein hạt đậu tương.

"Đậu tương có khoảng 40% protein và gen này tăng khoảng 2%. Nghe có vẻ không nhiều, nhưng so với bất kỳ gen protein hạt nào khác được lập bản đồ cho đậu tương, nó ít nhất là gấp đôi", Brian Diers - Chủ nhiệm bộ môn Di truyền và chọn giống Đậu tương tại Khoa Khoa học Cây trồng và là đồng tác giả của nghiên cứu trên tạp chí The Plant, cho biết.

Đồng tác giả Matt Hudson, giáo sư Tin sinh học về Khoa học Cây trồng, cho biết thêm: "Nếu chúng tôi có thể đưa dạng protein cao của gen vào các giống được trồng thương mại, chúng tôi sẽ xem xét sự gia tăng đáng kể lượng protein cho vật nuôi và con người trên toàn thế giới, thậm chí gia tăng một điểm phần trăm duy nhất trong tập hợp protein sẽ đại diện cho hàng triệu tấn protein. Điều đó tương đối có ý nghĩa".

Năm 1992, Diers, một sinh viên vừa tốt nghiệp đã xuất bản bản đồ protein hạt đầu tiên cho đậu tương. Mặc dù ông đã xác định được khu vực của bộ gen nơi gen có thể được định vị, phải mất ba thập kỷ, nhiều công nghệ tiến bộ và việc công bố hai bộ gen đậu tương để xác định gen cụ thể: Glyma.20G85100, một gen không có chức năng được biết đến nhưng gần như liên quan đến các gen "đồng hồ và thời gian sinh học".

 “Thật hài lòng khi thực hiện hành trình từ một sinh viên mới tốt nghiệp trẻ tuổi hăng hái, tất cả đều hào hứng với phát hiện này, đến cuối cùng xác định được gen là gì. Nhưng nếu tôi quay trở lại chính mình của 30 năm trước, tôi không bao giờ có thể ngờ rằng nó lại có thể lâu như vậy. Nhưng muộn còn hơn không", Diers nói.

Việc xác định một gen như thế này rất phức tạp vì đó là một trong nhiều locus tính trạng số lượng: Các vị trí trong bộ gen góp phần tạo nên các tính trạng liên tục như chiều cao cây, năng suất hoặc trong trường hợp này là hàm lượng protein.

Các nhà nghiên cứu phải trồng cây, đo hàm lượng protein và sau đó đi sâu vào hệ gen để tìm ra sự khác biệt về gen tương quan giữa các cây có lượng protein khác nhau. Những khác biệt về gen đó có thể không thể phát hiện được hoặc chúng chỉ có thể được theo dõi ở phần lớn của bộ gen.

Diers cho biết ban đầu ông đã lập bản đồ gen vào một đoạn của nhiễm sắc thể dài vài triệu cặp cơ sở của DNA. Nhưng bằng cách thử nghiệm thế hệ này sang thế hệ khác của các cây mang gen trong các vùng di truyền nhỏ hơn, ông đã từ từ thu hẹp nó.

"Chúng tôi đã phải sàng lọc hàng nghìn loài thực vật và sau đó đánh giá chúng bằng các điểm đánh dấu để xem liệu chúng tôi có tìm thấy mối liên kết hay không. Việc này rất tốn công sức và chúng tôi đã có nhiều sinh viên và giáo viên hậu cần làm việc về vấn đề này trong nhiều năm", Diers nói.

Giống như hầu hết các gen, Glyma.20G85100 có nhiều dạng hoặc alen. Tùy thuộc vào alen được tìm thấy trong một dòng đậu tương cụ thể, hàm lượng protein trong hạt có thể cao hoặc thấp. Và hóa ra, hầu hết các dòng đậu tương thương mại đều chứa alen có hàm lượng protein thấp.

"Thật không may, chúng tôi phát hiện ra rằng alen giàu protein có ảnh hưởng bất lợi đến năng suất. Vì vậy, các giống ưu tú, được lai tạo để có năng suất cao, thường có dạng protein thấp", Diers nói.

Việc phát hiện ra gen rất phức tạp bởi mối liên hệ không rõ ràng giữa gen và vai trò của nó trong việc tăng hàm lượng protein.

Diers nói: “Chúng tôi đã hy vọng rằng khi chúng tôi cuối cùng tìm thấy gen, nó sẽ liên quan đến một cái gì đó hiển nhiên, ví dụ, cố định nitơ hoặc chuyển hóa nitơ. Nhưng hóa ra nó thực sự không phải là những gì bạn mong đợi đối với một gen kiểm soát một loại protein", Diers nói.

Thay vào đó, gen này dường như là một phần của bộ máy sinh học của cây đậu tương; cách cây theo dõi thời gian để tối đa hóa quá trình quang hợp trong ngày, tìm ra thời điểm ra hoa và kết hạt và nhiều quá trình khác.

“Nó hoàn toàn là một phần tiêu chuẩn của đồng hồ sinh học được bảo tồn giữa gần như tất cả các loài thực vật. Nó trông giống như một transposon, hoặc một gen nhảy, hạ cánh trong gen đồng hồ sinh học đó và chèn một loạt các axit amin mới vào giữa miền được bảo tồn. Nó có thể là gen liên quan đến việc di chuyển các sản phẩm quang hợp vào hạt giống hoặc nó có thể là một con đường hoàn toàn không liên quan. Thật kỳ lạ, và chúng tôi thực sự không biết”, Hudson nói

Bất kể nó hoạt động như thế nào, việc xác định gen có đóng góp lớn nhất vào hàm lượng protein đậu tương có thể có những kết quả chính đối với an ninh lương thực toàn cầu.

“Nếu chúng ta có thể hiểu được cơ chế, điều đó sẽ cho chúng ta một số manh mối về cách chúng ta có thể tăng protein mà không làm giảm năng suất”, Diers nói.

Hudson cho biết thêm: "Có nhiều vấn đề nghiêm trọng về sự thiếu hụt protein ở nhiều nơi trên thế giới. Ngay cả một sự gia tăng khiêm tốn về protein cũng có thể đi một chặng đường dài”.

Võ Như Cầm theo Phys.org