Tổng quan di truyền cà chua

Cà chua (Solanum lycopersicum, 2n=24) là cây mô hình thuộc họ Solanaceae, họ này có hơn 3.000 loài (species) bao gồm những loài có habitats rất đa dạng, từ sinh thái sa mạc đến rừng mưa. Loài cà chua hoang dại Solanum pimpinellifolium  có quan hệ gần với loài cà chua trồng trọt. Trình tự chúng được công bố vào năm 2012.

Chi Solanum đã trãi nghiệm qua hai lần “sự kiện triplications”. Những sự kiện triplications như vậy hình thành nên các giai đoạn tạo ra chức năng mới (neo-functionalization) của gen điều khiển tính trạng trái cà chua, ví dụ như màu và thịt trái.

Kích thước genome cà chua Solanum lycopersicum khoảng 900 Mb,  trong đó có 760 Mb được tổng hợp lại từ 91 khung mang gen (scaffolds), sắp xếp thứ tự trên 12 nhiễm sắc thể cà chua. Hầu hết các đoạn thiếu tập họp chung quanh vùng tâm động. Hệ gen của cà chua hoang dại  S. pimpinellifolium, số đăng ký LA1589, được giải trình tự với kích thước genome là 739 Mb (bản thảo).

Hệ gen cà chua có rất ít phân tử LTR (full-length long terminal repeat), có ít hơn số retrotransposons so với hệ gen cao lương và Arabidopsis. Hệ gen cà chua  thường có bộ sao chép DNA thấp. Hệ gen cà chua có 34.727 gen mã hóa protein. Trong đó, 30.855 gen được ghi nhận nhờ kỹ thuật RNA sequencing. Cơ sở dữ liệu sRNA sequencing cho phép người ta dự đóan 96 gen miRNAs có tính chất bảo thủ cao trong cà chua (di truyền biểu sinh).

So sánh chuỗi trình tự gen giữa cà chua trồng và cà chua hoang dại S. pimpinellifolium phủ trên 90% vùng mang mật mã di truyền; kết quả: 7.378 gen mang tính chất đồng nhất (identical), 11.753 gen chỉ có những thay đổi mang tính chất tương đồng (synonymous). Còn lại 12.629 gen thay đổi có tính chất non-synonymous, bao gồm trạng thái được và mất trình tự ngắn stop codons với chức năng gen biểu hiện khác nhau.

Di truyền phẩm chất quả: có hơn 50 gen biểu hiện, liên quan đến sự phát triển quả cà chua và mã hóa protein khi quả chín, bao gồm sự cải biên cấu trúc thành tế bào quả cà chua.

Cơ chế tự vệ: phân tích kỹ thuật in silico, người ta đã xác định được 55 gen PI và những domains mang tính chất bảo thủ của chúng. Chất ức chế  men protease PIs (protease inhibitors) trong thực vật là nội dung quan trọng của cơ chế tự vệ cà chua, khi có pathogen xâm nhiễm và côn trùng gây hại. Biểu hiện của các gen SlPI cũng có thể được kích hoạt bởi stress phi sinh học (nóng, khô hạn và mặn), phản ứng với stress sinh học (ví dụ virus gây bệnh cà chua TSWV).

Tương tác giữa cà chua và nấm ký sinh Cladosporium fulvum - gây bệnh mốc đen, được nghiên cứu rất nhiều, trở thành mẫu mực cho các bài giảng quốc tế về: tương tác giữa ký sinh và ký chủ, có tính chất đồng tiến hóa (mô hình gene-for-gene). Trình tự của các gen mã hóa effector Ecp5  của nấm Cladosporium fulvum được xem như mấu chốt, làm cho tính kháng cà chua kém bền vững. Protein Ecp5 có chuỗi amino acid dài 115 aa, với 6 gốc cysteine. Đây là một effector có tính chất đa hình mạnh mẽ, và nhỏ nhất trong các effectors được biết. Tính kháng cây chủ do 2 gen quy định Cf-11và Cf-3 định vị trên nhiễm sắc thể 11. Gần đây người ta xác định locus Milky Way (MW) trên vai ngắn của NST 1, nhiều loci kiên kết khác (như ORION; OR) chứa các gen chức năng Cf, mã hóa protein bởi số lượng lớn các gen được nhận biết rất khác nhau, rất đặc biệt như Cf-4, Hcr9-4E, Cf-9, Hcr9-9B, Cf-19, Cf-Ecp1, Cf-Ecp2, Cf-Ecp3, Cf-Ecp4, Cf-Ecp5.

Di truyền tính kháng bệnh siêu vi vàng xoăn lá: Cà chua bị vàng xoăn lá do virus TYLC (tomato yellow leaf curl) gây ra. Đây là DNA virus, chi Begomovirus, họ Germiniviridae. C4/AC4 của những geminiviruses khác nhau được người ta quan sát thấy tương tác với RLKs (receptor-like kinases) của cà chua. RLKs rất cần thiết cho nội dung truyền tín hiệu từ bên ngoài tế bào đến bên trong, điều tiết plethora (chất gây độc cho pathogen). RLKs làm trung gian cho các tiến trình tăng trưởng và phát triển, giống như receptor của hormone thực vật. Về phía virus, C4 có thể ảnh hưởng đến một, nhưng không phải tất cả kết quả của RLKs. Như vậy C4 là một manipulator đầy tiềm năng của truyền tín hiệu qua màng plasma của virus khi xâm nhiễm vào cây cà chua.

Di truyền tính kháng bệnh héo rủ: Bệnh héo rũ vi khuẩn (bacterial wilt) cà chua do vi khuẩn Ralstonia solanacearum gây ra. Mức độ kháng với R. solanacearum đã được đánh giá qua 285 mẫu giống cà chua được bảo tồn tại Ngân Hàng Gen Quốc Gia của RDA, Hàn Quốc (Rural Development Administration). Các mẫu giống cà chua này có nguồn gốc từ 23 quốc gia. Bệnh diễn biến nặng được theo dõi từ 7 - 14 ngày, với khoảng cách 7 ngày sau khi chủng R. solanacearum trong điều kiện nhà lưới. Chỉ có 1 mẫu giống cà chua Solanum lycopersicum phản ứng kháng trung bình, 2 mẫu kháng với R. solanacearum. Áp dụng kỹ thuật tháp cà chua lên gốc ghép kháng bệnh héo rũ, thành giống thương mại rất thành công ở Nhật và Hàn Quốc. Viện Khoa Học Kỹ Thuật Nông Nghiệp Miền Nam Việt Nam cũng rất thành công theo hướng phát triển này để quản lý bệnh. Tính kháng không ổn định trong các dòng con lai vì  hoạt động của effector type III - AvrRpt2 của vi khuẩn. Ralstonia solanacearum là vi khuẩn gây bệnh héo rũ cà chua, phát sinh từ đất, xâm nhiễm qua vết thương, mà tính kháng trên đồng ruộng được quyết định bằng di truyền số lượng. Giống làm gốc ghép Hawaii 7996, được xem là nguồn kháng bệnh héo rủ vi khuẩn rất hiệu quả, đối với nhiều chủng nòi có độc tính cao. Có 2 QTL chủ lực định vị trên nhiễm sắc thể 12 là Bwr-12 giải thích được 18–56% biến thiên kiểu hình và Bwr-6 trên NST 6 giải thích được 11–22% biến thiên kiểu hình. QTLs này kết hợp với nhiều QTLs thứ yếu: Bwr-3, Bwr-4, Bwr-8.

Di truyền tính kháng bệnh mốc sương: Phytophthora infestans (Mont.) de Bary, là loài nấm gây dịch bệnh cho cà chua và khoai tây rất nặng. Nấm P. infestans có khả năng phá vở tính kháng của cây chủ cũng như phá vở hiệu lực của thuốc diệt nấm (fungicides), vì chúng có mức độ biến dị di truyền rất cao. Đây là đối tượng gây hại cà chua của vụ đông miền Bắc Việt Nam và vùng trồng cà chua thuộc cao nguyên Lâm Đồng, nơi có điều kiện lạnh, ẩm độ tương thích. Vùng trồng cà chua phía Nam Việt Nam ít gặp. Nấm P. infestans là nấm ký sinh gây bệnh có tính chất heterothallic, với hai loại hình giao phối (mating types: A1 và A2), sinh sản hữu tính nhờ oospores (noãn bào tử). Loại hình giao phối A1 chiếm ưu thế trên toàn thế giới. Loại hình giao phối A2 đã xuất hiện ở nhiều quốc gia, nhưng chúng bị thay thế dần bởi A1. Hiện tượng tái xuất hiện, và hiện tượng biến mất của  loại hình giao phối kiểu như vậy, có thể lý giải tại sao P. infestans có khả năng cao để phá vỡ tính kháng của cây chủ, phá vở tính hiệu lực của nhiều loại thuốc diệt nấm khác nhau. Những effector genes của nấm mã hóa các proteins có tác động ức chế hệ thống miễn dịch của cây chủ. Nguồn cho gen kháng từ loài cà chua hoang dại Solanum habrochaites được ghi nhận.  Di truyền số lượng tính kháng từ cà chua hoang dại này do một nhóm gen chủ lực có ảnh hưởng cộng tính (additive) và ảnh hưởng trội (dominance), các polygenes có ảnh hưởng cộng tính, tương tác với môi trường rất mạnh mẽ.

Di truyền tính chống chịu độ độc nhôm: Nhôm trở nên độc hại trong đất chua, có pH thấp hơn 5,5, nhôm hòa tan rất độc, kềm hãm sự hấp thu lân do hiệu ứng kết tủa của nó, làm cây đói lân đối với nhiều loài cây trồng. Họ protein NAC (bao gồm NAM, ATAF1/2, và CUC2) đại diện cho lớp (class) có số lượng protein TFs chuyên tính, rất lớn. Họ gen NAC của cà chua (Solanum lycopersicum) có vai trò trong phản ứng với stress do độ độc nhôm gây ra. Có 93 gen NAC (tên là SINACs) được phân lập, đặt tên theo vị trí của gen trên nhiễm sắc thể. Phân tích qRT-PCR cho kết quả: các gen SlNACs có thể giúp cho sự điều tiết của cà chua phản ứng lại độ độc nhôm trong đất, 19 gen điều tiết theo kiểu up hoặc down trong mô rễ cà chua.  

Chọn giống cà chua nhờ chỉ thị phân tử và NGS: Cà chua là cây hàng niên, ngắn ngày, có thể lai chéo, cũng như tự thụ phấn. Genome cà chua có kích thước trung bình: khoảng 900 Mb. Lập bản đồ QTL trong quần thể con lai tự nhiên hay lập bản đồ theo kiểu GWAS, đã giúp nhà chọn giống rất nhiều trong tìm hiểu kiến trúc di truyền của những tính trạng số lượng vô cùng phức tạp – đồng thời giúp chúng ta quản lý nguồn tài nguyên di truyền (loài hoang dại và loài trồng trọt) một cách hiệu quả. Genome cà chua hiện đã được giải trình tự hoàn toàn, với hệ gen tham chiếu có chất lượng cao. Cơ sở dữ liệu lớn về transcriptome và metabolome cũng đã sẵn sàng cho công nghệ di truyền mới. Kỹ thuật QTL-seq và kỹ thuật mapping-by-sequencing (MBS) cho phép người ta khai thác đa dạng di truyền tự nhiên và đột biến, thúc đẩy tìm kiếm gen đích một cách chính xác, phục vụ hữu hiệu chọn giống thương mại trong sản xuất. Bên cạnh đó, công nghệ GE (chỉnh sửa gen) cà chua đạt được nhiều hiệu quả tích cực cho cải tiến giống cà chua so với nhiều loài cây trồng khác.

GS. Bùi Chí Bửu, IAS.

Biên soạn từ 231 nguồn tài liệu tham khảo