Khi nào gạo biến đổi gien từ lúa đơn tính có thể được sử dụng trên bàn ăn của bạn?

Kỳ trước: Hành trình con người phá vỡ tự nhiên để tìm giống lúa sinh sản vô tính

Như đã đề cập trong phần trước, có hai phát kiến quan trọng trong việc tạo cây lai đơn tính. Đầu tiên, loại bỏ ba gien liên quan đến quá trình giảm phân trong cây mẫu Arabidopsis dẫn đến đột biến được gọi là MiMe, viết tắt của "nguyên phân thay vì giảm phân." Vào năm 2016, họ đã tái tạo kỳ tích trên cây lúa, minh cách các đột biến MiMe sẽ tạo ra những quả trứng lưỡng bội giống hệt về mặt di truyền với cây mẹ.

Thứ hai, một gien có tên là baby boom trong hạt cải dầu đã được phát hiện. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng gien này đã thúc đẩy sự phát triển của phôi từ chồi và lá của cây Arabidopsis.

Bước tiếp theo của quy trình kỹ thuật, bao gồm loại bỏ bộ ba gien giảm phân và kích hoạt gien baby boom quan trọng trong một cây duy nhất, là kết hợp hai phát hiện này.

Các nhà khoa học không muốn chuyển gien kích hoạt phôi chính từ một loại cỏ sang cây lúa có đột biến MiMe. Mặc dù một bước như vậy là khả thi về mặt kỹ thuật, nhưng nó có nhược điểm về quy định: Cây trồng được tạo ra bằng cách chuyển gien giữa các loài phải được kiểm định lâu dài trước khi chúng có thể đưa ra thị trường. Do đó, các nhà khoa học đã tập trung vào bộ gien của chính cây lúa.

Một thành tựu mang tính bước ngoặt đến từ một người không bắt đầu nghiên cứu quá trình apomixis, quá trình mà trứng bên trong hoa phát triển thành phôi mà không cần thụ phấn. Venkatesan Sundaresan, một nhà sinh vật học phát triển tại Đại học California (UC), Davis, đã nghiên cứu các gien xuất hiện trong gạo khi tế bào trứng và tinh trùng hợp nhất và phát triển thành phôi.

Theo Sundaresan và các đồng nghiệp của ông, phiên bản lúa gạo có gien baby boom thường được tìm thấy trong tế bào tinh trùng của thực vật hơn là trứng và nó vẫn hoạt động trong phôi sau khi thụ tinh. Họ lập luận rằng nếu họ có thể tìm cách kích hoạt gien baby boom trong các tế bào trứng, điều đó có thể khiến quá trình thụ phấn trở nên không cần thiết.

Imtiyaz Khanday, thành viên nhóm UC Davis, đã phân lập gien baby boom của lúa và sử dụng một chất khởi động làm bật gien cụ thể trong trứng để xác định xem điều đó có hiệu quả hay không. Bước tiếp theo là đưa gien trở lại cây trồng. Khanday đã chèn gói DNA này vào bộ gien của vi khuẩn lây nhiễm thực vật, một phương pháp phổ biến cho thực vật biến đổi gien. Kết quả là vi khuẩn biến đổi đã chèn DNA của chính nó, bao gồm cả gien được thêm vào, vào DNA của cây trồng. Các tế bào phát triển thành mô giống như khối u và sau đó được kích thích để phát triển thành cây con.

Các cây thu được cũng đã được sửa đổi bằng cách sử dụng chỉnh sửa gien CRISPR để có đột biến MiMe, trải qua sinh sản đơn tính và tạo ra hạt vô tính. Nhóm nghiên cứu đã báo cáo công trình vào năm 2019 trên tạp chí Nature rằng những hạt đó đã nảy mầm và cây con giống hệt về mặt di truyền với cây mẹ. Đó là một thành tựu thực vật đột phá, nhưng nó không hoàn hảo; chỉ 30% hạt giống của chúng là vô tính. Do đó, nhóm tiếp tục phát triển các kỹ thuật của mình.

Các nhà nghiên cứu đã báo cáo trong một bài báo tiếp theo được xuất bản trên tạp chí Nature Communications vào tháng 12 năm 2022 rằng sau khi sử dụng một loại gạo khác — một giống lai thương mại — và thêm đột biến MiMe và chất kích hoạt gien baby boom — trong cùng một bước, họ đã thu được các loại cây trồng mang lại hơn 95% hạt vô tính. Theo Jongedijk, "Đó là một công việc trên cả tuyệt vời."

Nhóm đang tìm kiếm nguồn tài trợ để thử nghiệm giống lúa vô tính của mình trên đồng ruộng, theo đồng tác giả Emmanuel Guiderdoni, nhà di truyền học lúa gạo tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Pháp. Các nhà nghiên cứu muốn xem các cây vô tính của họ sống như thế nào trong điều kiện khắc nghiệt hơn so với những gì chúng đã trải qua trong nhà kính.

Nghiên cứu về các cây trồng khác cũng đang tăng tốc. Các giống lúa miến và đậu đũa, hai loại cây trồng quan trọng đối với nông dân ở châu Phi cận Sahara, đang được phát triển bởi Anna Koltunow của Đại học Queensland. Nhóm của Koltunow bắt đầu thử nghiệm thực địa ở Úc vào tháng 10.2022 đối với cây lúa miến đã được biến đổi gien để sinh sản đơn tính và tạo ra phôi đơn bội; họ dự định kết hợp các đột biến MiMe vào các chủng trong tương lai.

Theo Kejian Wang, nhà di truyền học tại Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc gia Trung Quốc, người đang phát triển một giống lúa lai vô tính, có ít nhất 10 nhóm ở Trung Quốc cũng đang nghiên cứu các giống bắp cải, cà chua, cỏ linh lăng, bắp cải và các loại cây trồng làm thức ăn gia súc và rau khác.

Gien baby boom dường như không hoạt động trong tế bào trứng, đây là một thách thức đối với những người nghiên cứu thực vật hai lá mầm, một nhóm thực vật có hoa bao gồm cả đậu và cây rau củ. Theo Grossniklaus, chúng tôi đã rất cố gắng nhưng không có cách nào hiệu quả. Tuy nhiên, họ đã có một lựa chọn khác.

Một nhóm do nhà di truyền học thực vật Peter van Dijk (công ty nhân giống thực vật KeyGiene) dẫn đầu vào tháng 1.2022 đã báo cáo trên tạp chí Nature Gienetics về việc phát hiện ra PAR, một gien trong bồ công anh, một loài thực vật hai lá mầm tự nhiên. PAR dường như phục vụ mục đích tương tự như Baby boom. Phôi sơ khai hình thành mà không cần thụ phấn khi nhóm của Peter van Dijk kích hoạt PAR ở rau diếp.

Việc tìm kiếm gien đó đã mất hơn 15 năm. Tim Sharbel, một nhà sinh vật học tiến hóa tại Đại học Saskatchewan, nhận xét: "Đó là một câu chuyện hay, nhưng nó cũng cho thấy cần phải nỗ lực và cố gắng như thế nào."

Trước khi quá trình apomixis tổng hợp có thể được áp dụng thương mại trong bất kỳ loại cây trồng nào, Jongedijk dự đoán có thể cần thêm 5 đến 10 năm nghiên cứu. Vì họ sẽ không muốn những hạt giống kém sức sống hơn được tạo ra thông qua sinh sản hữu tính bình thường, nên một giống lai vô tính phải thu hút nông dân bằng cách sử dụng 100% hạt giống là dòng vô tính. Để xác định cách các giống lai phản ứng với hạn hán và các yếu tố bất lợi khác, các nhà khoa học sẽ cần tiến hành thử nghiệm trên diện rộng, giống như với tất cả các giống cây trồng mới.

Có thể có thêm tiến bộ bằng cách phát hiện thêm các gien điều chỉnh sự phát triển của hạt giống. Giống như hầu hết các loài thực vật, lúa vô tính hiện đang phát triển vẫn cần phấn hoa để thụ tinh cho nội nhũ của nó. Bước thụ phấn đó dễ bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu, giống như đối với các giống thương mại sinh sản hữu tính, vì phấn hoa có thể trở nên kém hoạt động hiệu quả khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Gần đây, nhóm của Gehring đã nhận được tài trợ để cố gắng tạo ra các loại cây phát triển nội nhũ mà không cần thụ phấn, một kỳ tích mà một số cây vô tính tự nhiên có thể làm được. Các giống cây trồng đơn tính trong tương lai sẽ hoàn toàn không phụ thuộc vào phấn hoa nếu nhóm nghiên cứu thành công, cho phép chúng sản xuất hạt giống bội thu ngay cả trong những đợt nắng nóng.

Khi nghiên cứu về apomixis được thực hiện, một số nhà lai tạo cảnh báo rằng ngay cả khi được hoàn thiện, những cây trồng như vậy có thể không thành công trên thị trường. Theo Famoso, một số quốc gia, đặc biệt là ở châu Á, đã phản đối thực phẩm biến đổi gien và có thể không muốn nhập khẩu gạo đơn tính. Tuy nhiên, Tiến sĩ Jauhar Ali, người đứng đầu chương trình lúa lai tại Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc tế, lại lạc quan hơn. Ông nói: "Chỉnh sửa gien đang dần được chấp nhận và nhiều chính phủ đã dần hiểu tầm quan trọng của công nghệ này trong việc mang lại lợi ích cho nông nghiệp."

Theo Famoso, "có rất nhiều hứa hẹn cho công nghệ này và hy vọng một ngày nào đó nó có thể được áp dụng cho đồng ruộng của nông dân. Tuy nhiên, côn trùng sẽ tiếp tục phải làm việc (thụ phấn) vào thời điểm hiện tại.

Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống