Khi nào gạo biến đổi gien từ lúa đơn tính mới có thể lên bàn ăn của bạn?

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

Có hai phát kiến quan trọng trong việc tạo cây lai đơn tính được đề cập trong phần trước. Thứ nhất, loại bỏ ba gien liên quan đến quá trình giảm phân trong cây mẫu Arabidopsis tạo ra đột biến gọi 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.

Thứ hai, 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.

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

Các nhà khoa học không muốn chuyển gien kích hoạt phôi chính từ một loại cỏ sang cây lúa có chứa đột biến MiMe. Mặc dù một bước như vậy là khả thi về mặt kỹ thuật, nhưng nó đi kèm với 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. Vì vậy, các nhà khoa học đã tìm đến 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 trở 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.

Sundaresan và các đồng nghiệp nhận thấy rằng phiên bản lúa gạo có gien baby boom thường được xuất hiện trong tế bào tinh trùng của thực vật chứ không phải trứng và nó vẫn hoạt động trong phôi sau khi thụ tinh. Họ suy 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.

Để kiểm tra xem liệu điều đó có hiệu quả hay không, 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 đặc biệt trong trứng. 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 thức tiêu chuẩn cho thực vật biến đổi gien. Kết quả, vi khuẩn biến đổi đã chèn DNA của chính nó — gồm cả gien được thêm vào — vào DNA của cây trồng. Các tế bào hình thành một mô giống như khối u được gọi là mô sẹo, sau đó có thể 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 các đột biến MiMe, trải qua quá trình sinh sản đơn tính và tạo ra các 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 không hoàn hảo: Chỉ khoảng 30% hạt giống của chúng là vô tính. Vì vậy, nhóm tiếp tục mày mò các phương pháp của mình.

Trong một bài báo tiếp theo được xuất bản trên tạp chí Nature Communications vào tháng 12.2022, các nhà nghiên cứu đã báo cáo 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. Jongedijk nói: “Đó là một công việc trên cả tuyệt vời”.

Đồng tác giả Emmanuel Guiderdoni, nhà di truyền học lúa gạo tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Pháp, cho biết nhóm đang tìm kiếm nguồn tài trợ để thử nghiệm giống lúa vô tính của mình trên đồng ruộng. 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. Anna Koltunow của Đại học Queensland đang phát triển các giống lúa miến và đậu đũa, những loại cây trồng quan trọng đối với nông dân ở châu Phi cận Sahara. Vào tháng 10.2022, nhóm của Koltunow bắt đầu thử nghiệm thực địa ở Úc đối với cây lúa miến đã được biến đổi gien để sinh sản đơn tính và tạo ra phôi đơn bội; họ dự định thêm các đột biến MiMe vào các chủng trong tương lai.

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 cho biết có ít nhất 10 nhóm ở Trung Quốc cũng đang nghiên cứu các giống bắp cải, cà chua, cỏ linh lăng và các loại cây trồng làm thức ăn gia súc và rau khác.

Một thách thức đối với những người nghiên cứu về thực vật hai lá mầm — nhóm thực vật có hoa gồm cả đậu và cây rau củ — là gien baby boom dường như không hoạt động trong chúng khi xuất hiện trong tế bào trứng. Grossniklaus nói: “Chúng tôi đã rất cố gắng và không có gì hiệu quả. Nhưng bây giờ họ có một lựa chọn khác”.

Vào tháng 1.2022, một nhóm do nhà di truyền học thực vật Peter van Dijk (công ty nhân giống thực vật KeyGiene) làm chủ nhiệm, 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 có vẻ như có chức năng tương tự như baby boom. Khi nhóm của Peter van Dijk kích hoạt PAR ở rau diếp, các phôi sơ khai hình thành mà không cần thụ phấn.

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

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

Việc mày mò thêm các gien kiểm soát sự phát triển của hạt giống có thể dẫn đến nhiều tiến bộ hơn nữa. Giống như hầu hết các loài thực vật, lúa vô tính hiện đang trong quá trình phát triển vẫn cần phấn hoa để thụ tinh cho nội nhũ của nó. Cũng như đối với các giống thương mại sinh sản hữu tính, bước thụ phấn đó dễ bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu, vì phấn hoa có thể trở nên kém hoạt động hiệu quả khi tiếp xúc với nhiệt độ cao.

Nhóm của Gehring gần đây 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 loại cây vô tính tự nhiên có thể làm được. Nếu nhóm nghiên cứu thành công, các giống cây trồng đơn tính trong tương lai sẽ hoàn toàn không phụ thuộc vào phấn hoa — cho phép chúng tạo ra những hạt giống bội thu ngay cả trong những đợt nắng nóng.

Khi nghiên cứu về apomixis được tiến hành, 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. Famoso lưu ý rằng một số quốc gia, đặc biệt là ở châu Á, đã phản đối thực phẩm biến đổi gien có thể không muốn nhập khẩu gạo đơn tính. Nhưng Jauhar Ali, người đứng đầu chương trình lúa lai tại Viện Nghiên cứu Lúa gạo Quốc tế, 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”.

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