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

Vào đầu mùa hè, các loài động vật giúp thụ phấn thường tràn qua các cánh đồng lúa ở Texas và Arkansas. Những con côn trùng nhỏ, nhanh nhẹn, thường bay thấp và ổn định để cánh của chúng thổi phấn hoa từ hàng cây này sang hàng cây khác. Các chuyến bay của côn trùng giúp 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 cách tốn kém và phức tạp để tạo ra hạt giống.

Nhưng nỗ lực này rất đáng giá vì hạt nảy mầm thành cây khỏe mạnh và khả năng giữ các đặc tính tốt đầy bí ẩn. Hiện tượng này được gọi là ưu thế lai. Lý do tại sao các cây lai vượt trội so với cây bình thường vẫn chưa rõ ràng, nhưng một giả thuyết đã được công nhận bấy lâu là các phiên bản 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 ngô, lúa miến và các loại cây trồng khác lên tới 50% và phát sinh các đặc điểm có giá trị khác, chẳng hạn như khả năng chịu hạn tốt hơn. Nhưng phương pháp này chỉ khả thi ở một số loài; chẳng hạn người ta không có cách thực tế nào để sản xuất lúa mì lai hoặc đậu tương. Và khi gắng áp dụng thì cực kỳ tốn nhiều công sức.

Đối với lúa gạo, trước tiên các công ty hạt giống phải phát triển một giống cây trồng không thể tự thụ phấn. Sau đó đến côn trùng, thụ phấn từ cây này sang cây kia. Quá trình này phải được lặp lại cho mỗi đợt hạt giống mới để tránh sự xáo trộn lại các gien và làm mất đi các đặc điểm thuận lợi xảy ra trong quá trình sinh sản hữu tính thông thường. José Ré, Phó chủ tịch nghiên cứu của RiceTec cho biết: “Đó là một hệ thống rất không hoàn hảo”.

Các nhà nhân giống cây trồng từ lâu đã mơ ước về một cách dễ dàng hơn, hiệu quả hơn để tạo ra hạt giống lai. Trong tự nhiên, một số loài thực vật sinh sản vô tính: Trứng bên trong hoa của chúng trở thành phôi mà không cần thụ phấn, một phần của quá trình gọi là apomixis — nghĩa là “không trộn lẫn” theo tiếng Hy Lạp. Nếu các nhà nghiên cứu có thể biến đổi gien cây trồng để sinh sản thông qua apomixis, thì quá trình tạo ra thế hệ lai đầu tiên F1 có thể vẫn còn tốn nhiều công sức. Nhưng sau đó, các công ty hạt giống có thể nhân giống con lai thế hệ F2 vốn giống hệt F1 dễ dàng hơn nhiều.

Trong nhiều thập niên, các nhà khoa học chỉ đạt được thành công một cách hạn chế. Nhưng những bước đột phá gần đây đã đưa khái niệm này đến gần hơn với thực tế. Vào năm 2019, một nhóm nhà khoa học quốc tế báo cáo rằng họ đã biến đổi gien thành công một dòng cây lúa có thể sinh sản vô tính. Các nhóm khác trên khắp thế giới cũng đang làm việc để phát triển 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.

Nhưng 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 làm cho công nghệ này hiệu quả đối với nông nghiệp. Nhưng các công ty hạt giống đang chú ý. Sinh sản vô tính sẽ đơn giản hóa cách họ sản xuất hạt giống lai, đẩy nhanh việc cho ra đời các giống mới và giảm chi phí. Công nghệ này cũng có thể mang lại lợi ích cho nông dân sản xuất nhỏ ở các nước nghèo, những người có thể không được tiếp cận thường xuyên với hạt giống lai thương mại, vì họ có thể tiết kiệm hạt giống được sản xuất từ vụ mùa trước. Adam Famoso, một nhà lai tạo lúa tại Đại học bang Louisiana cho biết: “Công nghệ này thực sự sẽ là một yếu tố thay đổi cuộc chơi lớn”.

Sự khám phá về sự sinh ra tinh dầu trong thực vật được công nhận rộng rãi là nhờ John Smith, một nhà thực vật học thế kỷ 19, người từng là người phụ trách tại Vườn Bách thảo Hoàng gia London. Trong một thập niên, ông đã quan sát ba cây nhựa ruồi ở Úc đơm hoa kết trái mà không hề ra hoa đực hay bất cứ thứ gì giống như phấn hoa, thứ chứa bên trong các tinh trùng thực vật. Năm 1839, Smith báo cáo với Hiệp hội Linnean ở London rằng ông có thể trồng cây mới từ hạt của cây ô rô. Đó là một tuyên bố gây bức xúc đã vấp phải “sự hoài nghi” lớn khi đó.

Tuy nhiên, vào năm 1898, nhà thực vật học người Thụy 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 yêu thích của họ. Khi các bằng chứng được tích lũy, ngày càng có nhiều nhà thực vật học bắt đầu xem xét hiện tượng này một cách nghiêm túc. Ngày nay, việc sinh sản vô tính đã được xác nhận ở hơn 400 loài thực vật nhưng đáng tiếc trong đó không có cây lương thực nào.

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. Nhưng tiến độ công việc rất chậm. Erik Jongedijk, nhà di truyền học thực vật tại KWS, một công ty hạt giống lớn ở châu Âu, nhớ lại: “Mọi người nói, 'Được rồi, chúng tôi sẽ tẽ hạt đó'. Và trong một thời gian dài, nó còn chẳng hề nứt”.

Một phần khó khăn bắt nguồn từ 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. Để hình thành phôi với đầy đủ các nhiễm sắc thể, trứng/noãn và tinh trùng/phấn cần phải kết hợp với nhau. 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 số lượng nhiễm sắc thể. Trứng sau đó có thể biến thành phôi mà không cần thụ tinh, trong một quá trình được gọi là sinh sản vô tính.

Phải mất nhiều thập kỷ để xác định một số gien liên quan và tìm ra cách sửa đổi chúng. Vào năm 2009, 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 làm chủ nhiệm, đã chỉ ra rằng nếu họ loại bỏ ba gien liên quan đến quá trình giảm phân trong cây mẫu Arabidopsis, thì nó sẽ tạo ra các giao tử thông qua quá trình nguyên phân, bảo tồn bộ nhiễm sắc thể đầy đủ của chúng. 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, cho thấy rằng các đột biến MiMe sẽ tạo ra những quả trứng lưỡng bội giống hệt về mặt di truyền với cây mẹ.

Trong khi đó, các nhóm khác đang tìm cách kích thích các tế bào trứng phát triển thành phôi mà không cần thụ tinh. Năm 2002, nhà di truyền học Kim Boutilier—hiện đang làm việc tại Đại học Wagieningien—đã thực hiện một khám phá quan trọng khi bà và đồng nghiệp xác định được một loại gien có tên là baby boom trong hạt cải dầu. Nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng gien này đã kích hoạt sự phát triển của phôi từ chồi và lá ở cây Arabidopsis.

Kể từ đó, các gien giống như baby boom đã được tìm thấy ở nhiều loài thực vật. Vào năm 2015, Ozias-Akins và các đồng nghiệp đã xác định một trong số chúng ngoài tự nhiên, loài cỏ Pennisetum squamulatum. 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. Kết quả gien này gây ra hiện tượng sinh sản đơn tính, dẫn đến các phôi đơn bội có thể sống được. Ueli Grossniklaus của Đại học Zurich, một nhà di truyền học phát triển nghiên cứu về sinh sản ở cây Arabidopsis và các loài sinh sản vô tính tự nhiên, cho biết: “Thật đáng kinh ngạc, gien này đã hoạt động”.

Phần tiếp theo: Những trở ngại và thực tiễn