Các gen hoang dã giúp cây trồng kháng bệnh tốt hơn

Một sự hợp tác toàn cầu của các nhà nghiên cứu đã đi tiên phong trong một phương pháp mới giúp nhanh chóng tìm ra các gen kháng bệnh từ những cây hoang dại để chuyển vào cây trồng đã thuần hóa (domestic crops). Kỹ thuật này hứa hẹn tạo ra cuộc cách mạng cho việc phát triển các giống cây kháng bệnh cung cấp thực phẩm cho toàn thế giới.

Giáo sư Harbans Bariana cùng với lúa mỳ. Ảnh: University of Sydney

Kỹ thuật được gọi là AgRenSeq được phát triển bởi các nhà khoa học tại Trung tâm John Innes ở Anh Quốc cùng với các đồng nghiệp ở Úc và Mỹ. Công trình đã được công bố trên Tạp chí Nature Biotechnology vào ngày 4/2/2019.

Kết quả này đẩy nhanh cuộc chiến chống lại tác nhân gây bệnh đe dọa cây thực phẩm toàn cầu, bao gồm lúa mì, đậu nành, bắp, lúa và khoai tây, những cây trồng tạo một lượng lớn ngũ cốc trong chế độ ăn uống của con người.

Giáo sư Harbans Bariana từ Viện Nông nghiệp Sydney và Trường Khoa học Môi trường và Đời sống là một chuyên gia thế giới về di truyền bệnh gỉ sắt gây hại trên ngũ cốc và là đồng tác giả của bài báo.

Ông nói: "Kỹ thuật này sẽ củng cố khám phá và mô tả đặc điểm của các nguồn kháng bệnh mới ở các cây trồng một cách nhanh chóng để đạt kết quả tốt".

Nghiên cứu hiện tại dựa trên công trình hợp tác trước đây được thực hiện bởi Giáo sư Bariana với Trung tâm CSIRO và Trung tâm John Innes. Công trình đã sử dụng hai gen lúa mì được nhân bản bởi nhóm quốc tế này như là những đối chứng và Giáo sư Bariana đã tiến hành những đánh giá kiểu hình trong nghiên cứu.

Kỹ thuật AgRenSeq cho phép các nhà nghiên cứu tìm kiếm thư viện các gen kháng được phát hiện trong các họ hàng cây hoang dã của cây trồng hiện đại để họ có thể xác định nhanh chóng các trình tự liên kết với khả năng chống lại bệnh hại.

Từ đó, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các kỹ thuật trong phòng thí nghiệm để nhân bản các gen này và đưa chúng vào các giống cây trồng ưu tú đã thuần hóa để bảo vệ chúng chống lại mầm bệnh và dịch hại như bệnh rỉ sắt, bệnh phấn trắng và ruồi Hessian.

Tiến sĩ Brande Wulff, chủ nhiệm dự án di truyền cây trồng tại Trung tâm John Innes và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: "Chúng tôi đã tìm ra cách để quét bộ gen của họ hàng cây hoang dã và chọn ra các gen kháng cần thiết và chúng tôi có thể làm điều đó trong thời gian kỷ lục. Điều này đã từng là một quá trình mất 10 hoặc 15 năm và tựa như tìm kiếm một cây kim trong đống cỏ khô”.

"Chúng tôi đã hoàn thiện phương pháp này để có thể nhân bản các gen này trong vài tháng và chỉ với hàng ngàn đô la thay vì hàng triệu đô la".

Công trình nghiên cứu cho thấy rằng kỹ thuật AgRenSeq đã được thử nghiệm thành công trong họ hàng của lúa mì hoang dã – cùng với các nhà nghiên cứu xác định và nhân bản bốn gen kháng đối với mầm bệnh rỉ sắt hại chồi nguy hiểm trong không gian trong nhiều tháng. Quá trình này sẽ dễ dàng mất một thập kỷ khi sử dụng các phương pháp thông thường.

Công trình nghiên cứu trong lúa mì hoang dã đang được sử dụng như là bằng chứng về khái niệm, chuẩn bị hướng đi cho phương pháp được áp dụng để bảo vệ nhiều loại cây trồng có những họ hàng hoang dã bao gồm, đậu nành, đậu pea, bông vải, bắp, khoai tây, lúa mì, lúa mạch, lúa, chuối và ca cao.

Những cây trồng ưu tú hiện đại đã mất rất nhiều sự đa dạng di truyền đặc biệt là khả năng kháng bệnh, trong quá trình tìm kiếm năng suất cao hơn và các tính trạng nông học mong muốn khác.

Việc chuyển gen kháng bệnh từ những cây họ hàng hoang dã là một cách tiếp cận bền vững về kinh tế và môi trường để chọn tạo giống cây trồng khỏe hơn. Tuy nhiên, việc chuyển các gen này vào cây trồng là một quá trình tốn nhiều công sức khi sử dụng các phương pháp chọn tạo giống truyền thống.

"Phương pháp mới này kết hợp giải trình tự DNA thông lượng cao với ứng dụng tin sinh học hiện đại."

Tiến sĩ Sanu Arora, tác giả đầu tiên của bài báo từ Trung tâm John Innes cho biết "Những gì chúng tôi có bây giờ là thư viện các gen kháng bệnh và chúng tôi đã phát triển một thuật toán cho phép các nhà nghiên cứu quét nhanh thư viện đó và tìm ra các gen kháng có chức năng theo mục đích mong muốn".

Tiến sĩ Wulff nói: "Đây là đỉnh cao của một giấc mơ, là kết quả của công trình trong nhiều năm. Những kết quả của chúng tôi chứng tỏ rằng kỹ thuật AgRenSeq là một giao thức mạnh mẽ để phát hiện nhanh các gen kháng từ một bảng điều khiển đa dạng di truyền của họ hàng cây hoang dã".

"Nếu chúng ta thấy có dịch bệnh xảy ra, chúng ta có thể đến thư viện của mình và cấy mầm bệnh đó qua bảng điều khiển đa dạng của chúng ta và chọn ra các gen kháng bệnh. Sử dụng nhân bản gen tốc độ và chọn tạo giống tốc độ, chúng ta có thể đưa các gen kháng bệnh vào các giống ưu tú trong vòng một vài năm, giống như phượng hoàng trỗi dậy từ đống tro tàn”.