Phát hiện ra gen điều kiển sự ra hoa ở cây cacao dẫn đến các chiến lược nhân giống nhanh chóng

Trong nghiên cứu, phôi cacao, qua việc biểu hiện quá mức gen florigen, sẽ phát triển những bông hoa nhỏ trong quá trình nuôi cấy mô. Nghiên cứu này rất có ý nghĩa vì cây cacao thường không ra hoa cho đến khi chúng được từ ba đến tám năm tuổi. Việc ra hoa sớm như vậy hứa hẹn sẽ thúc đẩy nhanh việc nhân giống để phát triển cây kháng bệnh. Nguồn Sarah Prewitt/Penn State.

Các nhà nghiên cứu bang Penn, Hoa kỳ đã xác định được gen kiểm soát sự ra hoa ở cây cacao, một khám phá có thể giúp đẩy nhanh các nỗ lực nhân giống nhằm cải thiện các loài cây bị bệnh.

Đặc trưng của gen Flowering Locus T trong cacao là chịu trách nhiệm sản xuất florigen - một loại protein quan trọng kích thích sự ra hoa ở hầu hết các loài thực vật, theo đồng tác giả nghiên cứu Mark Guiltinan, J. Franklin Styer, giáo sư thực vật học và phân tử thực vật sinh học. Ông hy vọng tiến bộ này sẽ cho phép các nhà khoa học phát triển các cây kháng bệnh nhanh hơn, điều này rất quan trọng vì 20-30% sản lượng cacao trên thế giới bị mất trắng hàng năm.

Ông nói: “Việc nhân giống cây trồng như cây cacao rất chậm và có thể mất 20 năm trở lên để đưa ra một giống mới. Những hiểu biết về cơ chế ra hoa có thể đem đến các phương pháp thúc đẩy nhanh nhân giống cacao và phát triển cây cho quả sớm hơn các giống thông thường, mất từ ​​hai đến bốn năm. Mỗi năm, chúng tôi tiến gần hơn đến những mục tiêu này khi tiếp tục khám phá những cơ chế sinh học phân tử của cây cacao".

Để tìm ra gen điều kiển sự ra hoa trong cacao, trưởng nhóm nghiên cứu Sarah Prewitt, Đại học Khoa học Nông nghiệp, lần đầu tiên xem xét các gen được biết là chịu trách nhiệm cho việc ra hoa ở cây Arabidopsis, bộ gen đã được nghiên cứu rộng rãi trong nhiều thập kỷ. Trước khi tìm ra gen liên quan đến sự ra hoa của cacao, nhà nghiên cứu đã thử nghiệm gen ra hoa Arabidopsis trong cacao để xem cây phát triển như thế nào.

Bệnh thối đen vỏ quả do nấm là một vấn đề nghiêm trọng ở tất cả các khu vực trên thế giới. Bệnh thối đen vỏ quả do nấm Phytophthora, gây thiệt hại lên đến 30% và làm chết 10% số cây hàng năm. Các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ lai tạo ra những cây kháng bệnh và việc tìm ra gen ra hoa của cacao hứa hẹn sẽ đẩy nhanh nỗ lực của họ. Nguồn: PlantVillage, Penn State.

Thử nghiệm lý thuyết của mình, nhà nghiên cứu đã biểu hiện quá mức gen này để kích hoạt sự ra hoa rất sớm ở 'cây con' cacao trong phòng thí nghiệm và cho thấy rằng những bông hoa nhỏ bé đó tạo ra những hạt phấn có thể sống được.

Prewitt cho biết: “Để tìm ra gen điều kiển sự ra hoa trong cacao, chúng tôi đã sử dụng phương pháp tin sinh học, lấy trình tự của gen từ cây Arabidopsis và tìm kiếm các gen tương tự trong bộ gen của cacao. Tôi tìm thấy gen cacao thúc đẩy sự ra hoa vì các trình tự trông rất giống nhau".

Các nhà di truyền học coi chức năng của gen tạo hoa florigen là "được bảo tồn cao". "Điều đó có nghĩa là gen này cực kỳ nhất quán - nó thực hiện những gì nó làm trong mọi bộ gen thực vật mà bạn nhìn vào", Prewitt nói. "Gen ra hoa florigen chắc chắn đã được xem xét ở rất nhiều loài thực vật và nó rất đáng tin cậy. Nó kiểm soát thời gian ra hoa".

Hình ảnh này cho thấy cây Arabidopsis ra hoa sớm, trong đó các nhà nghiên cứu đã loại bỏ gen ra hoa florigen của nó và đưa vào gen hoa cacao florigen mà họ đã phát hiện. Nó thể hiện khả năng giữa hoán đổi gen của hai cây khác nhau và cho thấy bản chất "được bảo tồn" của gen florigen - nghĩa là nó thực hiện cùng một chức năng ở cả hai cây. Nguồn: Sarah Prewitt/Penn State.

Trong phát hiện được công bố ngày 15 tháng 5 trên tạp chí BMC Plant Biology, các nhà nghiên cứu đã báo cáo về vai trò của gen ra hoa của cacao, Flowering Locus T, được chứng minh bằng phân tích biểu hiện gen. Họ cũng ghi lại kết quả của việc đưa gen ra hoa từ cây Arabidopsis vào cây cacao. 

Họ giải thích rằng việc biểu hiện quá mức gen này đã dẫn đến sự ra hoa 'sớm' trong nuôi cấy mô cacao, điều này đã chứng minh chức năng cực kỳ giống nhau của các gen florigen và cơ chế kiểm soát sự ra hoa ở cả Arabidopsis và cacao.

Guiltinan lưu ý, mặc dù hấp dẫn ở cấp độ khoa học, việc phát hiện ra gen Locus T của cacao có thể có tác động đáng kể trong thế giới thực, bằng cách giúp cải thiện cuộc ống của hàng triệu nông dân trồng cacao ở các nước đang phát triển sớm hơn những gì trước đây người ta nghĩ có thể. Ông chỉ ra rằng việc lai tạo các giống cacao có năng suất cao, kháng bệnh, chống chịu với biến đổi khí hậu và các đặc tính chất lượng mong muốn là một thành phần quan trọng trong mục tiêu rộng lớn hơn là phát triển hệ thống canh tác bền vững cho cacao.

Ông nói: “Các giống cacao tốt hơn có thể tăng thu nhập và do đó mang lại hạnh phúc cho những nông dân trồng cacao sống ở một số khu vực nghèo khó nhất trên thế giới, chẳng hạn như Tây Phi. Đổi lại, điều này sẽ mang lại lợi ích cho nền kinh tế của các quốc gia này và sẽ cung cấp nguồn nguyên liệu chính bền vững cho ngành công ghiệp sô cô la".

Bùi Anh Xuân theo Phys.org