Nghiên cứu của Illinois hé lộ điểm yếu di truyền nghiêm trọng đối với tương lai của việc chọn tạo giống ngô

Jenifer Camila Godoy dos Santos và Martin Bohn.

Một nghiên cứu mới được dẫn dắt bởi các nhà khoa học tại Đại học Illinois Urbana-Champaign phát hiện biến dị di truyền cực kỳ thấp trên một trong những giống ngô chủ lực của Hoa Kỳ. Phát hiện này liên quan cụ thể đến năng suất hạt ở các giống lai có thời gian sinh trưởng trung bình, nhóm giống đang chiếm ưu thế trong sản xuất thương mại tại Hoa Kỳ và chiếm gần một phần ba sản lượng ngô thế giới.

Các nhà nghiên cứu cho rằng một cuộc khủng hoảng sắp xảy ra.

Tác giả chính của nghiên cứu này, Jennifer Camila Godoy dos Santos, nghiên cứu viên sau tiến sỹ tại Khoa Khoa học Cây trồng, thuộc Trường nông nghiệp, Tiêu dùng, và Môi trường của Đại học Illinois cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi nhận thấy một yếu điểm di truyền quan trọng đe doạ khả năng tạo ra các giống lai có năng suất cao của các nhà chọn tạo giống ngô, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu được dự báo đối với vành đai ngô của Hoa Kỳ”.

Chọn tạo giống ngô hiện đại dựa vào hiện tượng ưu thế lai, còn được gọi là sức sống lai. Điều này có nghĩa là khi các dòng bố mẹ thuộc các nhóm di truyền khác nhau, hoặc các nhóm ưu thế lai khác nhau, được đem lai với nhau, thì thế hệ con lai tạo ra sẽ có biểu hiện vượt trội hơn hẳn so với từng dòng bố mẹ trong điều kiện đồng ruộng.

Trong nhiều thập kỷ qua, các giống ngô lai mới đã được tạo ra bằng cách lai các dòng bố mẹ thuộc hai nhóm ưu thế lai cụ thể: nhóm thân cứng (SS) và nhóm thân mềm (NSS). Hai nhóm này khác biệt nhau về mặt di truyền, đây là một yếu tố cần thiết để đảm bảo tạo ra các giống ngô lai có năng suất cao nhất. Tuy nhiên, các dòng thuần bên trong mỗi nhóm lại tương đối giống nhau về mặt di truyền. Và đây là vấn đề chính.

Qua thời gian, các nhà chọn giống đã chọn lọc và tái sử dụng những dòng có biểu hiện tốt nhất làm dòng bố mẹ, từ đó dần làm giảm mức độ biến thiên di truyền tổng thể bên trong mỗi nhóm ưu thế lai. Về mặt lý thuyết, khi mức biến dị trong cùng một nhóm giảm xuống, các phép lai giữa hai nhóm sẽ không còn đảm bảo tạo ra những con lai mạnh nữa.

Godoy dos Santos và các cộng sự của mình nghi ngờ rằng mức độ biến dị đang suy giảm, nhưng họ chưa biết sự suy giảm đó diễn ra ở mức độ nào và có thể ảnh hưởng ra sao đến một số tính trạng nhất định.

Để trả lời những câu hỏi này, nhóm nghiên cứu đã đánh giá biến dị di truyền chi phối nhiều tính trạng thực vật ở 13 dòng thuần SS và 28 dòng thuần NSS, đại diện cho các giai đoạn sớm, trung bình và muộn, các kiểu ra hoa khác nhau. Cụ thể, họ tập trung vào biến dị liên quan đến năng suất hạt, chiều cao cây, ngày phun râu và thời kỳ tung phấn.

Điểm nổi bật nhất là gì? Biến thiên di truyền liên quan đến năng suất bị thiếu hụt ở các dòng SS có thời gian sinh trưởng trung bình, đây là nhóm sinh trưởng được trồng phổ biến nhất tại Vành đai Ngô của Hoa Kỳ. Các nhà nghiên cứu cho rằng nhóm ưu thế lai quan trọng này có thể không còn đóng góp hiệu quả vào việc phát triển các giống lai mới đáp ứng mục tiêu năng suất trong bối cảnh các thách thức trong tương lai.

Ở khía cạnh tích cực hơn, nhóm nghiên cứu phát hiện rằng vẫn còn khá nhiều biến thiên di truyền ở nhiều tính trạng khác nhau trong các dòng thuần chín sớm và chín muộn thuộc cả hai nhóm SS và NSS. Ngoài ra, ở nhóm NSS, các dòng thuần có thời gian sinh trưởng trung bình cũng vẫn còn đủ mức biến thiên di truyền liên quan đến năng suất.

Nguồn gốc của dự án

Dự án này đã được triển khai trong hơn một thập kỷ. Vào năm 2013, một nhóm các nhà chọn giống ngô thuộc các trường đại học ở Hoa Kỳ nhận ra rằng công việc của họ sẽ có sức ảnh hưởng lớn hơn nếu họ hợp tác với nhau. Vì vậy, sáng kiến Từ Bộ gen tới Đồng ruộng (G2F) đã ra đời. Các nhà nghiên cứu không chỉ bắt đầu trao đổi vật liệu chọn giống để thử nghiệm trong nhiều điều kiện sinh trưởng khác nhau trên khắp cả nước, mà còn cùng nhau giải quyết một số vấn đề gai góc nhất mà ngành này đang phải đối mặt.

Martin Bohn, nhà chọn giống ngô và giáo sư khoa học cây trồng tại Đại học Illinois, cho biết: “Vào khoảng năm 2015 hoặc 2016, chúng tôi bắt đầu đặt câu hỏi liệu trong nguồn vật liệu di truyền phục vụ chọn giống của mình vẫn còn biến dị di truyền hay không. Điều đó rất quan trọng, bởi vì nếu không có biến dị thì chúng ta sẽ không thể tạo ra tiến bộ chọn giống. Nếu thiếu biến dị, chúng ta không thể làm cho nguồn vật liệu di truyền của mình thích nghi với các điều kiện sinh trưởng đang thay đổi trong bối cảnh biến đổi khí hậu, hoặc với những bệnh hại có thể xuất hiện. Và quan trọng nhất, chúng ta không thể tạo ra các giống lai có năng suất cao trong những môi trường mới này”.

Để đặc trưng hóa mức đa dạng di truyền còn lại, nhóm nghiên cứu bắt đầu thực hiện các phép lai giữa các dòng thuần SS và NSS. Họ đã trồng 162 giống lai đơn tại hơn 30 địa điểm ở Hoa Kỳ và Canada, đồng thời thu thập dữ liệu kiểu hình ở các nhóm thời gian sinh trưởng khác nhau. Sau đó, họ chuyển “kho dữ liệu” này cho các chuyên gia tính toán là Godoy dos Santos và Alex Lipka, một nhà di truyền học thống kê kiêm giáo sư sinh trắc học tại Đại học Illinois.

Hướng đi trong tương lai

Lipka cho biết: “Phân tích của chúng tôi có thể được cô đọng thành một thông điệp rút ra rất mạnh mẽ về sự suy giảm biến thiên di truyền trong một nhóm ngô quan trọng: Chúng ta đang tự đặt mình vào tình thế khẩn cấp. Việc chúng tôi quan sát thấy mức biến thiên di truyền không đáng kể đối với năng suất trong nhóm ưu thế lai này nên được xem như một dấu hiệu cảnh báo sớm. Chúng ta phải làm gì đó để giải quyết vấn đề này”.

Alex Lipka và Jenifer Camila Godoy dos Santos.

Các nhà nghiên cứu cho rằng các nhà chọn giống ngô cần thực hiện những bước đi có chủ đích nhằm đưa trở lại biến thiên di truyền vào nguồn vật liệu chọn giống. Bohn đề nghị chương trình Thúc đẩy nguồn gen Ngô của Cơ quan Nghiên cứu Nông nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ, một nỗ lực được chính phủ tài trợ nhằm đưa nguồn vật liệu di truyền từ khắp nơi trên thế giới vào các nhóm ưu thế lai ưu tú một cách có chiến lược.

Godoy dos Santos nói: “Mặc dù nghiên cứu này là một dấu hiệu cảnh báo, điều đó không có nghĩa là chọn giống ngô đã đi đến hồi kết, bởi lĩnh vực này đã đạt được những tiến bộ to lớn trong hơn 100 năm qua. Nghiên cứu của chúng tôi nhắc nhở chúng ta về tầm quan trọng của việc bảo vệ và mở rộng nguồn đa dạng di truyền sẵn có cho các nhà chọn giống. Bằng cách đưa vào những nguồn đa dạng di truyền mới, các chương trình chọn giống có thể tiếp tục phát triển các giống ngô lai tốt hơn cho các thế hệ tương lai”.

Nghiên cứu có tựa đề “Phân tích cấu trúc phương sai di truyền và đánh giá các mô hình dự đoán hệ gen đối với các giống lai đơn có nguồn gốc từ hai nhóm ưu thế lai ngô thân cứng và thân mềm” được công bố trên tạp chí G3, Genes, Genomes, Genetics.

Trương Thị Tú Anh theo Đại học Illinois Urbana-Champaign.