Các cánh đồng lúa ở Texas và Arkansas thường trải qua các loài động vật giúp thụ phấn vào đầu mùa hè. Côn trùng nhỏ, nhanh nhẹn, thường bay thấp và ổn định, cánh của chúng thổi phấn hoa từ hàng cây này sang hàng cây khác. Các chuyến bay của côn trùng hỗ trợ RiceTec, một công ty nhân giống cây trồng, sản xuất hạt giống cho các giống lúa năng suất cao được trồng trên khắp miền nam Mỹ. Đó là một phương pháp tốn kém và phức tạp để sản xuất hạt giống.
Tuy nhiên, nỗ lực này rất đáng giá vì hạt nảy mầm thành cây mạnh và khả năng duy trì các đặc tính tốt đầy bí ẩn. Hiện tượng này được gọi là ưu thế lai. Vẫn chưa rõ lý do tại sao cây lai vượt trội so với cây bình thường, nhưng một giả thuyết đã được chấp nhận từ lâu là các giống lai nhận gien trội từ bố mẹ chiếm ưu thế hơn các gien lặn, hoạt động kém.
Sự phát triển của các giống lai đã làm tăng năng suất của ngô, lúa miến và các loại cây trồng khác lên tới 50% và tạo ra các đặc điểm không có giá trị khác, chẳng hạn như khả năng chịu hạn tốt hơn. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả ở một số loài, chẳng hạn như không có cách thực tế nào để sản xuất lúa mì lai hoặc đậu tương. Và khi áp dụng thì cực kỳ tốn công sức.
Trước tiên, các công ty hạt giống lúa gạo phải tạo ra một giống cây trồng không thể tự thụ phấn. Sau đó, côn trùng thụ phấn từ cây này sang cây kia. Để ngăn chặn sự xáo trộn lại các gien và mất đi các đặc điểm thuận lợi xảy ra trong quá trình sinh sản hữu tính điển hình, quy trình này phải được lặp lại cho mỗi đợt hạt giống mới. Theo José Ré, Phó chủ tịch nghiên cứu của RiceTec, "Đó là một hệ thống rất không hoàn hảo."
Các nhà nhân giống cây trồng từ lâu đã quan tâm đến một phương pháp đơn giản, đáng tin cậy hơn để sản xuất hạt giống lai. Một số loài thực vật có khả năng sinh sản vô tính trong tự nhiên: Trứng bên trong hoa của chúng biến thành phôi mà không cần thụ phấn, một phần của quá trình được gọi là apomixis, có nghĩa là "không trộn lẫn" trong tiếng Hy Lạp. Quá trình tạo thế hệ lai đầu tiên F1 có thể vẫn còn tốn nhiều công sức nếu các nhà nghiên cứu có thể biến đổi gien cây trồng để sinh sản thông qua apomixis. Tuy nhiên, các công ty hạt giống sau đó sẽ nhân giống con lai thế hệ F2, vốn đơn giản hơn nhiều so với F1.
Các nhà khoa học đã chỉ thành công trong một thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây đã đưa khái niệm này đến gần hơn với thực tế. Một nhóm các nhà khoa học quốc tế đã tuyên bố vào năm 2019 rằng họ đã biến đổi gien thành công một dòng cây lúa có thể sinh sản vô tính. Các nhóm khác trên toàn thế giới cũng đang làm việc để tạo ra các giống lúa miến, cà chua, cỏ linh lăng và các loại cây trồng khác. Mary Gehring, nhà sinh học phân tử tại Viện Whitehead và Viện Công nghệ Massachusetts, người nghiên cứu sự phát triển của thực vật vô tính, cho biết "cảm giác phấn khích" lan tỏa trong giới nghiên cứu.
Tuy nhiên, công nghệ này sẽ không dễ thương mại hóa trong thời gian tới. Peggy Ozias-Akins, nhà di truyền học tại Đại học Georgia, cho biết: "Vẫn còn rất nhiều điều chúng ta chưa hiểu về cách công nghệ này hiệu quả đối với nông nghiệp. Tuy nhiên, các công ty hạt giống đang quan tâm. Sinh sản vô tính sẽ đơn giản hóa quá trình sản xuất hạt giống lai, khuyến khích tạo ra các giống mới và giảm chi phí. Công nghệ này cũng có thể có lợi cho nông dân sản xuất nhỏ ở các quốc gia kém tiếp cận với hạt giống lai thương mại vì họ có thể tiết kiệm hạt giống được sản xuất từ vụ mùa trước. Theo Adam Famoso, một nhà lai tạo lúa tại Đại học bang Louisiana, "Công nghệ thực sự sẽ là một yếu tố thay đổi cuộc chơi lớn."
John Smith, một nhà thực vật học thế kỷ 19, người từng là người phụ trách tại Vườn Bách thảo Hoàng gia London, được ghi nhận rộng rãi cho việc phát hiện ra tinh dầu trong thực vật. Ông đã quan sát ba cây nhựa ruồi ở Úc đơm hoa kết trái trong một thập niên mà không hề ra hoa đực hoặc bất cứ thứ gì giống như phấn hoa, thứ chứa bên trong tinh trùng thực vật. Smith thông báo với Hiệp hội Linnean ở London vào năm 1839 rằng ông có thể trồng cây mới từ hạt của cây ô rô. Đó là một tuyên bố gây hoài nghi lớn khi nó được đưa ra.
Tuy nhiên, vào năm 1898, nhà thực vật học người Điển Oscar Juel đã chứng minh bằng kính hiển vi đầy thuyết phục rằng các tế bào trứng của một loài thực vật có tên là Antennaria alpina (một loài thực vật có hoa trong họ Cúc) có thể phát triển thành phôi khi không có phấn hoa. Các nhà nghiên cứu khác đã xem xét kỹ hơn các loài ưa thích của họ. Ngày càng có nhiều nhà thực vật học bắt đầu xem xét hiện tượng này một cách nghiêm túc sau khi các bằng chứng được tích lũy. Mặc dù thực tế là không còn nghi ngờ gì nữa, hiện tượng sinh sản vô tính đã được ghi nhận ở hơn 400 loài thực vật.
Vào cuối những năm 1990, khi các công cụ di truyền trở nên phổ biến hơn, các chuyên gia lạc quan rằng họ có thể xác định các gien ẩn sau apomixis và triển khai chúng trên cây trồng, tạo ra các dòng vô tính có thể bỏ qua sự tái tổ hợp di truyền xảy ra trong quá trình giao hợp của thực vật, vốn làm xáo trộn các tổ hợp gien thuận lợi. Tuy nhiên, tiến độ công việc rất chậm. Erik Jongedijk, nhà di truyền học thực vật tại KWS, một công ty hạt giống quan trọng ở châu Âu, nhớ lại: "Mọi người nói," Được rồi, "Được rồi," và trong một thời gian rất dài, nó thậm chí không hề nứt.
Một phần khó khăn là do sự phức tạp của quá trình sinh sản mà các nhà nghiên cứu đang cố gắng sửa đổi. Trong quá trình sinh sản hữu tính, các giao tử—trứng và tinh trùng—được tạo ra thông qua quá trình giảm phân, một quá trình dẫn đến các tế bào đơn bội với một nửa số lượng nhiễm sắc thể. Trứng/trứng/noãn và tinh trùng/phấn phải được kết hợp để hình thành phôi với đầy đủ nhiễm sắc thể. Thay vào đó, nhiều loài thực vật vô tính tự nhiên tạo ra giao tử thông qua quá trình nguyên phân mà không có sự thay đổi về nhiễm sắc thể. Sau đó, một quá trình được gọi là sinh sản vô tính có thể dẫn đến việc trứng biến thành phôi mà không cần thụ tinh.
Việc tìm ra cách sửa đổi một số gien liên quan phải mất nhiều thập kỷ. Một nhóm các nhà khoa học do Raphaël Mercier, nhà di truyền học hiện đang làm việc tại Viện Nghiên cứu Nhân giống Thực vật Max Planck dẫn đầu vào năm 2009 đã chứng minh rằng nếu họ loại bỏ ba gien liên quan đến quá trình giảm phân trong cây mẫu Arabidopsis, thì quá trình nguyên phân, bảo tồn bộ nhiễm sắc thể đầy đủ của chúng, sẽ dẫn đến việc tạo ra các giao tử. Họ đặt tên cho đột biến ở 3 gien này 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.
Các nhóm khác đang cố gắng tạo điều kiện cho các tế bào trứng phát triển thành phôi mà không cần thụ tinh. Kim Boutilier, hiện đang làm việc tại Đại học Wagieningien, và nhà di truyền học Kim Boutilier đã thực hiện một khám phá quan trọng vào năm 2002 khi cô và các cộng sự của mình phát hiện ra một gien có tên là baby boom trong hạt cải dầu. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng gien này đã thúc đẩy sự phát triển của phôi từ chồi và lá ở cây Arabidopsis.
Kể từ đó, nhiều loài thực vật đã phát triển các gien giống như Baby boom. Một trong số chúng, loài cỏ Pennisetum squamulatum, được phát hiện ngoài tự nhiên vào năm 2015 bởi Ozias-Akins và các đồng nghiệp. Khi họ chuyển gien này vào một loại cỏ có quan hệ họ hàng gần sinh sản hữu tính, cũng như vào lúa và ngô, họ đã thành công. Kết quả của gien này là hiện tượng sinh sản đơn tính, dẫn đến sự hình thành các phôi đơn bội có thể sống sót. Theo Ueli Grossniklaus của Đại học Zurich, một nhà di truyền học phát triển nghiên cứu về sinh sản vô tính tự nhiên và cây Arabidopsis, "thật đáng kinh ngạc, gien này đã hoạt động."
Những trở ngại và thực tiễn
Cập nhật tin tức công nghệ mới nhất tại fanpage Công nghệ & Cuộc sống
Nguồn tin: 1thegioi.vn
Tham gia bình luận