Giải trình tự bộ gene cây mía

Mía lai hiện đại là một trong những loại cây trồng phổ biến nhất trên hành tinh, được dùng để sản xuất đường, mật rỉ đường, ethanol sinh học và nguyên liệu sinh học. Và bản đồ gene của cây mía cũng thuộc loại phức tạp bậc nhất. 

Sự phức tạp về mặt di truyền khiến mía trở thành cây trồng chính cuối cùng chưa xác định được bộ gene hoàn chỉnh với độ chính xác cao. Trong nghiên cứu mới công bố trên Nature, các nhà khoa học đã phát triển và kết hợp nhiều kỹ thuật để giải trình tự thành công bộ gene cây mía. Với bản đồ gene này, họ có thể xác định vị trí cụ thể [trên bộ gene] có khả năng chống lại bệnh gỉ sắt nghiêm trọng có nguy cơ tàn phá cây mía. Họ cũng có thể sử dụng bản đồ gene này để hiểu rõ hơn những gene liên quan đến quá trình sản xuất đường. 

“Đây là trình tự bộ gene phức tạp nhất mà chúng tôi từng giải trình tự”, Jeremy Schmutz, người đứng đầu Chương trình Thực vật tại Viện Hệ gene (JGI), thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), đồng thời là nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ sinh học HudsonAlpha (Hoa Kỳ) cho biết. “Kết quả này cho thấy chúng ta đã tiến xa như thế nào. Cách đây 10 năm, chẳng ai nghĩ điều này khả thi”.

Bộ gene của cây mía rất phức tạp vì nó lớn và chứa nhiều bản sao nhiễm sắc thể hơn các loại cây thông thường – một đặc trưng của giống cây đa bội. Mía có khoảng 10 tỷ cặp bazơ – thành phần cấu tạo nên DNA; trong khi đó, bộ gene của con người có khoảng 3 tỷ cặp bazơ.

Cây mía có nhiều đoạn DNA giống hệt nhau trong mỗi nhiễm sắc thể và trên các nhiễm sắc thể khác nhau. Điều này dẫn đến thách thức lớn trong việc lắp ráp lại chính xác tất cả các đoạn DNA nhỏ khi tái tạo lại toàn bộ hệ gene. Các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề này bằng cách kết hợp nhiều kỹ thuật giải trình tự gene, bao gồm một phương pháp mới là giải trình tự PacBio HiFi có thể xác định chính xác trình tự các đoạn DNA dài hơn.

Có được “bộ gene tham chiếu” hoàn chỉnh sẽ giúp việc nghiên cứu về cây mía dễ dàng hơn, các nhà khoa học có thể so sánh gene và tiến trình gene của cây mía với các loại cây trồng khác. Điều này sẽ giúp họ hiểu rõ mỗi gene ảnh hưởng đến một tính trạng như thế nào, chẳng hạn như gene nào có mức độ biểu hiện cao trong quá trình sản xuất đường hoặc gene nào quan trọng với khả năng kháng bệnh.

“Khi giải trình tự bộ gene, chúng tôi có thể lấp đầy khoảng trống trong trình tự di truyền xung quanh bệnh gỉ sắt”, Adam Healey, nhà nghiên cứu tại HudsonAlpha, tác giả chính của bài báo cho biết. 

“Có hàng trăm nghìn gene trong bộ gene của cây mía, nhưng chỉ có hai gene hoạt động cùng nhau để bảo vệ cây mía khỏi căn bệnh này. Trong số các loài thực vật, chúng tôi chỉ thấy cơ chế tương tự ở một ít trường hợp. Việc hiểu rõ hơn về điều này ở cây mía có thể giúp bảo vệ các loại cây trồng khác đang phải đối mặt với những mầm bệnh tương tự”. 

Để tìm hiểu về bộ gene của cây mía, các nhà nghiên cứu đã sử dụng giống mía R570 phổ biến trên thế giới. Cũng giống như các giống mía hiện đại, R570 là giống lai giữa giống mía đã thuần hóa (vượt trội về sản xuất đường) và giống mía hoang dã (mang gene kháng bệnh).

“Việc có được bức tranh di truyền hoàn chỉnh của R570 sẽ cho phép các nhà nghiên cứu theo dõi gene nào bắt nguồn từ bố mẹ nào, giúp các nhà tạo giống dễ dàng xác định những gene kiểm soát các đặc điểm mà chúng ta quan tâm để cải thiện năng suất”, Angélique D’Hont, tác giả cuối của bài báo, nhà nghiên cứu về cây mía ở Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Phát triển Quốc tế Pháp (CIRAD), cho biết.

Việc cải tiến các giống mía trong tương lai có thể mang lại những ứng dụng tiềm năng trong nông nghiệp và năng lượng sinh học. Chẳng hạn, việc tăng cường khả năng sản xuất đường ở cây mía sẽ giúp nâng cao năng suất cho người trồng, cung cấp nhiều đường hơn trên cùng một diện tích canh tác. Mía là nguyên liệu quan trọng để sản xuất nhiên liệu sinh học, đặc biệt là ethanol và các sản phẩm sinh học khác.□

Thanh An lược dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2024-03-sweet-success-sugarcane-complex-genetic.html

 Bài đăng Tia Sáng số 7/2024