Tổng quan di truyền cây đậu phụng tiếp cận với công nghệ mới trong di truyền phân tử

Đậu phụng (Arachis hypogaea L.) là loài cây họ đậu với sản phẩm chính là dầu thực vật. Diện tích gieo trồng hàng năm khoảng 27,66 triệu ha, tổng sản lượng 48,98 triệu tấn, tại 100 quốc gia (FAO 2016). Trung Quốc là nước có diện tích canh tác đậu phụng lớn nhất, chiếm 38% tổng sản lượng của thế giới.

Đậu phụng trồng trọt (Arachis hypogaea L.; genome AABB; 2n = 4x = 40) là một trong những loài cây trồng cho dầu từ hạt quan trọng của thế giới. Cải tiến giống đậu phụng khá hạn chế so với cây trồng khác vì nền di truyền hẹp. Arachis hypogaea có mức độ biến thiên di truyền thấp hơn loài đậu phụng hoang dại (2n và 4n). Có rất nhiều loài với mức độ đa dạng di truyền cao, quan hệ gần với loài trồng trọt Arachis hypogaea, chúng sẽ trở nên hữu dụng làm nguồn vật liệu bố mẹ. Hơn 80 loài đã được định danh trong chi Arachis.

Đậu phụng (Arachis hypogaea L.) là loài dị tứ bội thể, với hai hệ gen: genome A và genome B, ký hiệu là AABB. Người ta giải thích rằng: có sự lai trong tự nhiên giữa 2 genome: genome AA của loài Arachis duranensis và genome BB của loài Arachis ipaensis; để hình thành  giống đậu phụng trồng trọt Arachis hypogaea L. Hai loài hoang dại ấy được xem như tổ tiên của cây đậu phụng hiện nay.

Hình 1: Vị trí của QTLs trên LG A08 và bản đồ vật lý tương ứng. Hộp có màu sắc khác nhau biểu thị QTLs được tìm thấy trong những năm khác nhau. Những markers này liên kết rất chặt với QTL đích (màu đỏ). Mật độ gen chỉ ra số gen trên mỗi đoạn phân tử 80-kb (Liu et al. 2020).

Loài A. duranensis Krapov. & W.C. Gregory và loài A. cardenasii Krapov. & W.C. Gregory là nguồn gen kháng với hơn 12 đối tượng sâu bệnh hại đậu phụng. Tuy nhiên, tính trạng hàm lượng dầu cao mới là mục tiêu chính của chương trình cải tiến giống. Có 4 QTLs thứ yếu được phân lập trong hệ gen đậu phụng, điều khiển hàm lượng dầu, trên cơ sở bản đồ di truyền với 45 SSR loci. Gần đây, người ta tìm thấy 6 QTLs điều khiển hàm lượng dầu, trên bản đồ di truyền có 206 SSR loci; và  tìm thấy 9 QTLs trên bản đồ có 378 SSR loci; 3 QTLs trong quần thể hồi giao cải tiến tại 91 SSR loci.

Tiếp cận công nghệ NGS (next-generation sequencing), người ta có thể phát triển kỹ thuật ddRAD-seq (double-digest restriction-site-associated DNA sequencing) để tìm kiếm gen đích quyết định hàm lượng dầu và đánh giá kiểu gen trong quần thể con lai RILs. QTL chủ lực là qOCA08.1 định vị trên nhiễm sắc thể A08, giải thích được 10,14–27,19% biến thiên kiểu hình, liên kết chặt với marker SNPOCA08.

Hạt đậu phụng chứa > 30% dầu, rất tốt cho sức khỏe vì bản chất là acid béo không bảo hòa (không no) (unsaturated fatty acids). Thành phần chủ lực là oleic acid và linoleic acid, có hoạt tính sinh học cao như tocopherols, phenolic acids, và phytosterols.

Sau khi tách chiết dầu, phần còn lại là bánh dầu đậu phụng (peanut meal), là phụ phẩm rất quan trọng làm thức ăn gia súc hoặc làm phân bón. Bánh dầu đậu phụng khá giàu protein > 25%.

Bắt đầu từ 2016, các genomes tham chiếu đã sẵn sàng cho cả loài tổ tiên hoang dại, lưỡng bội cũng như tứ bội; loài trồng trọt dị tứ bội. Tổ chức IPGI (International Peanut Genome Initiative) thông qua PGC (Peanut Genome Consortium) đã hoàn chỉnh trình tự của cả loài tổ tiên lưỡng bội cũng như tứ bội, đó là A. duranensis V14167 (A genome) và A. ipaensis K30076 (B genome).

Ngày nay người ta liên kết giữa transcriptome với genome để xác định chức năng của gen và phenome (hệ thống kiểu hình do kiểu gen tương tác với môi trường tạo ra) trong sinh học hiện đại. Người ta tiến hành chạy trình tự toàn bộ hệ transcriptome của hạt đậu phụng non trong quần thể con lai RILs. Có 49.691 gen, trong đó, 92 gen biểu hiện gần giống như kiểu đột biến paramutation. Phân tích eQTL (expression quantitative trait locus) người ta xác định được 1207 eQTLs tại chổ và 15.837 eQTLs mang tính chất ‘distant’, góp phần vào biến dị di truyền của transcriptomics. Có 94 vùng mang eQTL được gọi là điểm nóng (hot spot) trong hệ gen đậu phụng, với hiệu ứng dominance của distant eQTL. Tích hợp phổ thể hiện transcriptomic và phân tích annotation (chú thích chi tiết), người ta quan sát một gen ứng cử viên giả định và một marker liên kết InDel02 điều khiển màu võ lụa của hạt đậu (màu đỏ cam và màu đỏ tím).

Họ protein các yếu tố phiên mã WRKY có vai trò vô cùng quan trọng trong cơ chế điều tiết, làm cho cây thích nghi với stress phi sinh học (khô hạn). Có tổng cộng 158 gen AhWRKY được xác định, mã hóa protein nói trên, tên của gen tùy theo định vị trên nhiễm sắc thể. Phân tích hàm đẳng tuyến cho thấy có 32 cặp gen cùng hiện hữu ở Arachis hypogaea (4n) và tổ tiên của chúng (Arachis duranensis và Arachis ipaensis) (2n). Có 19 nguyên tố cis-acting liên quan đến phản ứng đối với stress có trong vùng promoter. Kết quả: 73 gen AhWRKY biểu hiện rất khác nhau, trong nghiệm thức xử lý khô hạn.

Aflatoxin B1 (AFB1) và aflatoxin B2 (AFB2) là loại hình aflatoxins phổ biến nhất của nấm ký sinh Aspergillus flavus trong đậu phụng, gây ung thư và bào thai không bình thường. Nông dân và nhà công nghiệp chế biến đậu phụng đang đối diện với thách thức rất nghiêm trọng là tạp nhiễm độc tố aflatoxin. Hai mẫu giống đậu phụng kháng (Zh.h0551 và Zh.h2150) được xác định tại Trung Quốc, với hàm lượng aflatoxin trong hạt thấp 8,11%–18,90% so với đối chứng nhiễm. Người ta đánh giá kiểu gen 99 vật liệu bằng kỹ thuật RAD-seq, rồi phân tích GWAS. Có tổng cộng 60 chỉ thị SNP kết hợp với tính trạng kháng aflatoxin được tìm thấy, chúng giải thích được 16,87%–31,70% biến thiên kiểu hình (PVE), với chỉ thị SNP02686 sở hữu 31,70% và SNP19994 sở hữu 28,91% PVE. Người ta xây dựng dữ liệu kiểu hình đối với loại hình aflatoxin AFB1 và AFB2, tại 3 địa điểm khảo nghiệm khác nhau ở Trung Quốc, với các nghiệm thức chủng nấm bệnh A. flavus vào cây.  Bốn QTL chủ lực và sáu QTL thứ yếu đã được xác định, có liên quan đến điều khiển tính kháng aflatoxin, thông qua phân tích genome-wide QTL, với bản đồ di truyền linkage nhờ chỉ thị phân tử SSR.

Tuyến trùng Meloidogyne arenaria (Neal) là đối tượng gây hại quan trọng trong sản xuất đậu phụng. QTLs kiểm soát tính kháng đậu phụng được người ta phân lập trên nhiễm sắc thể A02, A04 và A09 của loài hoang dại Arachis stenosperma. Vị trí của QTL chủ lực trên nhiễm sắc thể A02 có nhiều gen, mã hóa TIR-NBS-LRR protein domains có trong hệ thống tự vệ cây đậu phụng. Năm 2001, người ta phóng thích giống đậu phụng cao sản đầu tiên kháng tuyến trùng, đó là giống COAN16. Gen kháng định vị trên nhiễm sắc thể A09 từ loài đậu phụng hoang dại Arachis cardenasii.

Mục tiêu tăng năng suất là nội dung nhắm đến trong các chương trình cải tiến giống. Người ta xác định 7 tính trạng quan trọng của đậu phụng có liên quan mật thiết đến năng suất. Theo kết quả phân tích GWAS, 195 mẫu giống đậu phụng được đánh giá kiểu hình, kiểu gen. Áp dụng GBS (genotyping-by-sequencing), với 13.435 chỉ thị SNPs chất lượng cao, người ta xây dựng kiến trúc di truyền các mẫu giống được phân tích. Kết quả GWAS đã phân lập được 93 chỉ thị SNPs đỉnh có tính chất không trùng lắp nhau (non-overlapping peak SNPs), tương hợp với 4 tính trạng nghiên cứu. Có 311 gen ứng cử viên duy nhất biểu hiện độc lập. Có 12 đỉnh được tìm thấy liên quan đến 3 tính trạng; hầu hết định vị trên nhiễm sắc thể Arahy.05 và Arahy.16. Thực hiện "gene annotation'’ tại 12 đỉnh SNPs đồng vị trí, người ta phát hiện có 36 gen ứng cử viên. Một xét nghiệm gần các gen ứng cử viên này cho thấy có một gen rất đáng chú ý (arahy.RI9HIF), gen tương đồng với gen cây lúa, điều khiển protein để cải tiến năng suất lúa, khi gen này biểu hiện mạnh mẽ. Xét nghiệm sâu gen arahy.RI9HIF, và những gen ứng cử viên khác người ta ghi nhận rằng đây là vùng trên genome đậu phụng đáng tin cậy nhất, có thể xem là tiềm năng để cải tiến năng suất giống đậu phụng trong tương lai.

Đây là những tiến bộ vượt bậc trong nghiên cứu di truyền cây đậu phụng, mà bộ nhiễm sắc thể của chúng vô cùng phức tạp, khó khai thác biến dị di truyền hiệu quả.

GS. Bùi Chí Bửu - IAS.

(Tổng hợp từ 148 nguồn tài liệu tham khảo)