Trong một nghiên cứu mới, dẫn đầu bởi Charles Underwood từ Viện nghiên cứu giống cây trồng Max Planck ở Cologne, Đức, các nhà khoa học đã thiết lập một hệ thống tạo ra các tế bào sinh dục vô tính ở cây cà chua và sử dụng chúng để thiết kế bộ gen của thế hệ con. Sự thụ tinh của một trứng vô tính từ bố hoặc mẹ này bởi một tinh tử vô tính từ bố và mẹ khác đã dẫn đến thực vật chứa thông tin di truyền hoàn chỉnh của cả bố và mẹ.

Quả cà chua được tạo ra bởi một cây cà chua tứ bội (có 48 nhiễm sắc thể) bằng cách lai hai bố mẹ cà chua MiMe khác nhau. Nguồn: Yazhong Wang.

Hạt giống lai là việc kết hợp hai dòng bố mẹ khác nhau với những đặc điểm thuận lợi cụ thể, rất phổ biến trong nông nghiệp vì chúng tạo ra những cây trồng khỏe mạnh với năng suất nâng cao và đã được nông dân sử dụng trong hơn một trăm năm. Hiệu suất tăng lên của các giống lai thường được gọi là sức sống lai, hay dị hợp tử và đã được quan sát thấy ở nhiều loài thực vật (và động vật) khác nhau. Tuy nhiên, hiệu ứng dị hợp tử không còn tồn tại ở các thế hệ tiếp theo của các giống lai này do sự phân tách thông tin di truyền. Vì vậy, những hạt giống lai mới cần được sản xuất hàng năm, một nỗ lực tốn nhiều công sức và tốn kém nhưng không phải lúc nào cũng mang lại hiệu quả tốt cho mọi loại cây trồng. Vì vậy, làm thế nào những đặc điểm có lợi được mã hóa trong gen của cây lai có thể được chuyển sang thế hệ tiếp theo?

Thông thường, vật liệu di truyền của chúng ta trải qua quá trình thay đổi trạng thái trong quá trình phân bào - là một quá trình phân chia tế bào quan trọng xảy ra ở tất cả các sinh vật sinh sản hữu tính. Sự xáo trộn này, do sự phân chia ngẫu nhiên các nhiễm sắc thể và tái tổ hợp vi phân, rất quan trọng trong việc tạo ra các cấu hình di truyền mới và có lợi trong quần thể tự nhiên và trong quá trình nhân giống. Tuy nhiên, khi nói đến nhân giống cây trồng, một khi bạn đã có được sự kết hợp tuyệt vời thì bạn muốn giữ nó và không đánh mất nó bằng cách xáo trộn lại các gen. Việc có một hệ thống bỏ qua quá trình phân bào và tạo ra các tế bào giới tính (trứng và tinh trùng) giống hệt về mặt di truyền với bố mẹ có thể có một số ứng dụng.

Trong nghiên cứu này, Underwood và nhóm của ông đã thiết lập một hệ thống, trong đó họ thay thế giảm phân bởi nguyên phân, một sự phân chia tế bào đơn giản, ở hầu hết loại cây rau phổ biến nhất đó là cây cà chua được trồng. Trong cái được gọi là hệ thống MiMe (Nguyên phân thay vì Giảm phân), sự phân chia tế bào bắt chước nguyên phân, do đó bỏ qua sự tái tổ hợp và phân chia di truyền, đồng thời tạo ra các tế bào giới tính là bản sao chính xác của cây mẹ. Khái niệm về hệ thống MiMe trước đây đã được thành lập bởi Raphael Mercier, giám đốc Viện nghiên cứu giống cây trồng Max Planck, trên cây Arabidopsis và cây lúa. Một khía cạnh mang tính đột phá của nghiên cứu mới là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu khai thác các tế bào giới tính vô tính để tạo ra thế hệ con cái thông qua một quá trình mà họ gọi là “thiết kế bộ gen đa bội”.

Thiết kế bộ gen đa bội

Thông thường, các tế bào sinh dục có bộ nhiễm sắc thể giảm một nửa (ở người, 46 nhiễm sắc thể giảm xuống còn 23; ở cà chua, 24 nhiễm sắc thể giảm xuống còn 12) trong khi các tế bào sinh dục MiMe là tế bào vô tính và do đó việc giảm một nửa bộ nhiễm sắc thể này không xảy ra. Underwood và nhóm của ông đã thực hiện các phép lai có nghĩa là trứng vô tính từ một cây cà chua MiMe đã được thụ tinh bởi một tinh tử vô tính từ một cây cà chua MiMe khác. Cây cà chua thu được chứa toàn bộ hệ gen của cả bố và mẹ - và do đó được tạo thành từ 48 nhiễm sắc thể. Do đó, tất cả các đặc điểm thuận lợi từ cả bố và mẹ lai đều được hợp nhất – theo thiết kế – trong một cây cà chua mới. Do mối quan hệ di truyền chặt chẽ giữa cà chua và khoai tây, nhóm nghiên cứu của Underwood tin rằng hệ thống được mô tả trong nghiên cứu này có thể dễ dàng thích nghi để sử dụng trên khoai tây, loại cây trồng có giá trị thứ năm trên thế giới và các loài cây trồng tiềm năng khác.

Trong bối cảnh dân số ngày càng tăng và biến đổi khí hậu, việc phát triển các giống có năng suất cao, bền vững và ổn định là rất quan trọng để đảm bảo nguồn cung lương thực thế giới về lâu dài. Vì vậy, điều quan trọng là phải trồng những loại cây có khả năng kháng bệnh và chịu căng thẳng cao. Những cách tiếp cận sáng tạo đối với công nghệ nhân giống thực vật là rất cần thiết.

Sản xuất hạt giống kỹ thuật tiên tiến

Yazhong Wang cho biết thêm, hệ thống MiMe và ứng dụng của nó trong kỹ thuật bộ gen đa bội có thể là một con đường đầy hứa hẹn để giải quyết những thách thức nông nghiệp ngày nay. “Chúng tôi thực sự vui mừng về khả năng sử dụng tế bào sinh dục vô tính để thực hiện thiết kế bộ gen đa bội. Chúng tôi tin rằng điều này sẽ cho phép các nhà lai tạo khai thác thêm tính dị hợp - tính dị hợp tiến triển được tìm thấy ở các thể đa bội - một cách có kiểm soát”, Charles Underwood nói. “Hệ thống MiMe cà chua mà chúng tôi đã thiết lập cũng có thể được sử dụng như một thành phần của sản xuất hạt giống vô tính - apomixis tổng hợp - trong tương lai. Điều này có thể giảm đáng kể chi phí sản xuất hạt giống lai”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck.