Phương pháp hóa học mới giúp dễ dàng chọn được các tính trạng mong muốn ở cây trồng

Etoposide tạo ra các kiểu hình di truyền mới. Nguồn: PLOS Genetics (2025).

Cây trồng ngày càng cần phát triển tốt trong nhiều điều kiện khắc nghiệt hơn, bao gồm hạn hán, độ mặn và nhiệt độ cao. Phương pháp chọn giống cây trồng truyền thống có thể chọn các tính trạng mong muốn, nhưng bị giới hạn bởi sự đa dạng di truyền vốn có của cây. Ở nhiều loại cây trồng, quá trình thuần hóa và chọn lọc kéo dài đã làm thu hẹp đáng kể sự đa dạng di truyền, từ đó hạn chế nỗ lực phát triển các giống mới.

Để vượt qua những giới hạn này, các nhà nghiên cứu đã phát triển những cách chuyển các tính trạng có lợi-như khả năng chịu hạn hoặc chịu mặn-vào cây trồng thông qua chọn giống bằng phương pháp gây đột biến. Phương pháp này có chủ ý tạo ra những biến dị di truyền ngẫu nhiên trong cây, sau đó sàng lọc các cây bị đột biến để tìm ra những cây mang tính trạng có lợi.

Một cách tiếp cận được sử dụng rộng rãi là chiếu xạ để tạo ra các biến đổi về cấu trúc - những thay đổi DNA quy mô lớn có thể ảnh hưởng đến nhiều gen cùng lúc. Tuy nhiên, chiếu xạ đi kèm với các rào cản về quá trình chọn lọc sàng lọc phức tạp, tốn thời gian và công sức và quy định pháp lý, khiến việc ứng dụng bị hạn chế cả về đối tượng sử dụng lẫn loại cây trồng có thể sử dụng để nghiên cứu.

Phương pháp hóa học mới tạo ra các biến đổi di truyền

Trong một bài báo đăng trên tạp chí PLOS Genetics, thành viên Viện Whitehead, Mary Gehring và các cộng sự đã giới thiệu một phương pháp mới để tạo ra những biến dị di truyền ở quy mô lớn mà không cần áp dụng phương pháp chiếu xạ.

Tác giả chính Lindsey Bechen, Quản lý phòng thí nghiệm của Gehring; cựu nghiên cứu sinh sau tiến sỹ P.R.V. Satyaki (hiện là giảng viên tại Đại học Toronto), cùng các đồng nghiệp đã phát triển phương pháp này bằng cách cho hạt giống đang nảy mầm tiếp xúc với etoposide-một loại thuốc hóa trị-trong giai đoạn phát triển sớm.

Loại thuốc này can thiệp vào một enzyme giúp điều hòa cấu trúc DNA trong quá trình phân chia tế bào. Khi tế bào cố gắng sửa chữa các lỗi DNA do thuốc này gây ra, những sai sót trong quá trình sửa chữa có thể tạo ra sự sắp xếp lại quy mô lớn trong bộ gen. Hạt giống thu được từ các cây đã xử lý sẽ mang những biến dị dưới dạng di truyền được qua nhiều thế hệ.

Quy trình này sử dụng các công cụ phòng thí nghiệm tiêu chuẩn: hạt giống được cho nảy mầm trên môi trường nuôi cấy có chứa thuốc hóa trị này, sau đó được chuyển sang trồng trong đất để hoàn thành vòng đời phát triển.

“Tôi rất ngạc nhiên về mức độ hiệu quả của phương pháp này”, Gehring-đồng thời là giáo sư sinh học tại MIT và là Nghiên cứu viên của HHMI-chia sẻ: “Sự đa dạng của các tính trạng mới có thể quan sát được chỉ bằng mắt thường ngay ở thế hệ đầu tiên là vô cùng phong phú”.

Kết quả trên cây Arabidopsis và đậu triều

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh phương pháp này trên cây mô hình Arabidopsis thaliana được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu di truyền. Khoảng hai phần ba số dòng cây được xử lý cho thấy những biến dị có thể quan sát được, bao gồm thay đổi về hình dạng lá, kích thước cây, sắc tố và khả năng sinh thực. Phân tích di truyền cho thấy các tính trạng này liên quan đến sự mất đoạn, lặp đoạn và tái sắp xếp các đoạn DNA.

Trong một số trường hợp, nhóm đã liên kết được các tính trạng cụ thể của cây với những biến dị di truyền riêng lẻ. Một cây lùn có thân dày và lá bất thường, mang biến dị rõ rệt làm gián đoạn một gen liên quan đến sự phát triển của lá. Một cây khác, có lá loang lổ xanh-trắng, mang một đoạn bị mất trong gen IMMUTANS-chính là gen đã được xác định trong các thể đột biến do chiếu xạ được mô tả cách đây hơn 60 năm.

Ngoài Arabidopsis, phòng thí nghiệm của Gehring đang áp dụng kỹ thuật này cho đậu triều (pigeon pea), cây họ đậu chịu hạn tốt và là nguồn protein quan trọng trong khẩu phần ăn ở nhiều khu vực châu Á và châu Phi. Đậu triều là cây trồng chưa được khai thác đầy đủ, có tiềm năng trở thành cây lương thực chủ lực-nếu có thể khắc phục được sự thiếu đa dạng di truyền do trở ngại trong lịch sử canh tác.

Thường được gọi là “cây trồng không được chú ý”, các cây như đậu triều nhận được ít sự quan tâm nghiên cứu và thường thiếu biến dị di truyền cần thiết để lai tạo các giống cải tiến.

“Tất cả những tính trạng mà chúng ta mong muốn ở đậu triều đều không có sẵn trong quần thể hiện tại”, Gehring nói. “Ý tưởng là tiến hành một thí nghiệm gây đột biến quy mô lớn để làm tăng đa dạng di truyền”.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm nghiên cứu sinh sau tiến sỹ Sonia Boor của phòng thí nghiệm Gehring, hiện đang sàng lọc các dòng đậu triều đã được xử lý để tìm ra khả năng chịu mặn-một tính trạng quyết định nơi cây trồng có thể sinh trưởng và hiệu quả của chúng trên đất nhiễm mặn. Mặc dù đậu triều có thời gian sinh trưởng dài hơn Arabidopsis, các nhà nghiên cứu đã chọn được đến thế hệ thứ hai và xác định được một số dòng cho thấy phản ứng đầy hứa hẹn trong điều kiện mặn.

Nguyễn Tiến Hải theo Phys.org