Phương pháp hóa học mới giúp việc lựa chọn dễ dàng hơn về các đặc tính mong muốn ở cây trồng

Etoposide gây ra các kiểu hình di truyền mới. Nguồn: PLOS Genetics (2025). DOI: 10.1371/journal.pgen.1011977.

Cây trồng ngày càng cần phải phát triển mạnh trong nhiều điều kiện khác nhau, bao gồm hạn hán, độ mặn và nhiệt độ cao. Phương pháp lai tạo giống truyền thống có thể chọn lọc các đặc điểm mong muốn, nhưng bị hạn chế bởi sự đa dạng di truyền vốn có trong cây. Ở nhiều loại cây trồng, quá trình thuần hóa và chọn lọc lâu dài đã thu hẹp sự đa dạng di truyền, hạn chế nỗ lực phát triển các giống mới.

Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu đã phát triển các phương pháp đưa những đặc tính hữu ích, chẳng hạn như khả năng chịu hạn hoặc chịu mặn, vào cây trồng thông qua phương pháp lai tạo đột biến. Phương pháp này cố ý đưa những thay đổi di truyền ngẫu nhiên vào cây trồng. Sau đó, các nhà nghiên cứu sàng lọc những cây trồng đã được biến đổi gen để xem cây nào có được những đặc tính hữu ích.

Một phương pháp được sử dụng rộng rãi dựa vào bức xạ để tạo ra các biến thể cấu trúc—những thay đổi DNA quy mô lớn có thể ảnh hưởng đến nhiều gen cùng một lúc. Tuy nhiên, chiếu xạ gây ra những trở ngại về mặt hậu cần và quy định, hạn chế đối tượng được phép sử dụng và loại cây trồng nào có thể được nghiên cứu.

Phương pháp hóa học mới cho các biến đổi di truyền

Trong một bài báo được công bố trên tạp chí PLOS Genetics, thành viên Viện Whitehead, Mary Gehring và các đồng nghiệp đã đề xuất một phương pháp mới để tạo ra những thay đổi di truyền quy mô lớn mà không cần chiếu xạ.

Tác giả chính Lindsey Bechen, quản lý phòng thí nghiệm Gehring; Gehring; cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ PRV Satyaki (hiện là giảng viên tại Đại học Toronto) và 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 ban đầu.

Thuốc này can thiệp vào một loại enzyme giúp quản lý cấu trúc DNA trong quá trình phân chia tế bào. Khi các tế bào cố gắng sửa chữa những tổn thương do quá trình này gây ra trong DNA của chúng, những sai sót trong quá trình sửa chữa có thể tạo ra những sự sắp xếp lại quy mô lớn trong bộ gen. Hạt giống thu thập từ cây được xử lý bằng thuốc mang những thay đổi này dưới dạng di truyền.

Quy trình này dựa trên các dụng cụ phòng thí nghiệm tiêu chuẩn: hạt giống được nảy mầm trên môi trường nuôi cấy có chứa thuốc, sau đó được chuyển sang đất để hoàn thành vòng đời của chúng.

"Tôi rất ngạc nhiên về hiệu quả của nó", Gehring, người đồng thời là giáo sư sinh học tại MIT và nhà nghiên cứu của HHMI, cho biết. "Sự đa dạng của các đặc điểm mới mà bạn có thể thấy chỉ bằng cách quan sát các cây ở thế hệ đầu tiên là rất lớn".

Kết quả thu được trên cây Arabidopsis và cây đậu pigeon pea

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh phương pháp này trên cây Arabidopsis thaliana, một loại cây mẫu được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu di truyền. Khoảng hai phần ba số dòng cây được xử lý cho thấy những khác biệt rõ rệt, bao gồm thay đổi về hình dạng lá, kích thước cây, sắc tố và khả năng sinh sản. Phân tích di truyền đã liên kết những đặc điểm này với sự mất đoạn, nhân đôi và sắp xếp lại các đoạn DNA.

Trong một số trường hợp, nhóm nghiên cứu đã liên kết các đặc điểm cụ thể của cây với những thay đổi di truyền riêng lẻ. Một cây lùn với thân dày và lá bất thường mang một biến đổi lớn làm gián đoạn một gen liên quan đến sự phát triển của lá. Một cây khác, có lá lốm đốm xanh trắng, mang một đột biến mất đoạn trong gen IMMUTANS—cùng một gen đã được xác định trong các đột biến do bức xạ gây ra được mô tả hơn 60 năm trước.

Ngoài cây Arabidopsis, phòng thí nghiệm của Gehring đang áp dụng kỹ thuật này cho cây đậu pigeon pea, một loại cây họ đậu chịu hạn và là nguồn protein quan trọng trong chế độ ăn uống ở một số vùng của châu Á và châu Phi. Đậu pigeon pea là một loại cây trồng chưa được khai thác triệt để nhưng có tiềm năng trở thành cây lương thực chính – nếu sự thiếu đa dạng di truyền, do quá trình canh tác bị hạn chế trong lịch sử, có thể được khắc phục.

Thường được gọi là cây trồng bị bỏ rơi, các loài như đậu pigeon pea nhận được sự quan tâm nghiên cứu hạn chế và thường thiếu sự đa dạng di truyền cần thiết để lai tạo các giống cải tiến.

"Tất cả các đặc điểm mà chúng ta mong muốn ở cây đậu pigeon pea đều không có trong quần thể hiện tại", Gehring nói. "Ý tưởng là thực hiện một thí nghiệm đột biến quy mô lớn để tăng tính đa dạng di truyền".

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

Ưu điểm so với chỉnh sửa gen và kế hoạch tương lai

Phương pháp hóa học của các nhà nghiên cứu cũng có thể mang lại lợi ích cho các loại cây trồng khó biến đổi gen bằng các công cụ chỉnh sửa gen như CRISPR. Mặc dù CRISPR cho phép thay đổi gen chính xác, nhưng nó thường dựa vào quá trình chuyển đổi gen, một bước đầy thách thức về mặt kỹ thuật đối với nhiều loài thực vật.

"Nhiều loài mà người ta thường sử dụng trong nông nghiệp hoặc làm vườn đều không thích hợp cho việc biến đổi gen", Gehring nói.

Phương pháp mới này bổ sung cho các công cụ di truyền hiện có chứ không thay thế chúng. Bằng cách cung cấp một giải pháp thay thế dễ tiếp cận hơn so với chiếu xạ, đột biến hóa học có thể mở rộng khả năng thực hiện các thay đổi di truyền quy mô lớn và tạo ra các giống cây trồng mới.

Trong tương lai, phòng thí nghiệm của Gehring dự định phát triển các bộ sưu tập toàn diện các đột biến Arabidopsis mang các biến thể cấu trúc được mô tả rõ ràng.

Những nguồn tài nguyên như vậy có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách những thay đổi quy mô lớn trong cấu trúc bộ gen ảnh hưởng đến sự phát triển và năng suất của cây trồng, từ đó cung cấp thông tin cho những nỗ lực nghiên cứu và cải tiến cây trồng trong tương lai.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org