Dừa là một loại cây lấy dầu và ăn quả nhiệt đới quan trọng với nhiều đặc điểm khác nhau. Ví dụ, một số cây cao hơn những cây khác, một số có nhiều hoặc ít thịt dừa hơn, và một số có vỏ lớn hơn hoặc nhỏ hơn... Nguyên nhân nào gây ra những khác biệt này? Có rất nhiều điều bí ẩn cần được giải đáp về quả dừa.
Gần đây, trong một bài báo đăng trên tạp chí Genome Biology, một nhóm nghiên cứu đã lập bản đồ bộ gen tham chiếu chất lượng cao của dừa cao và dừa lùn, tiết lộ quá trình tiến hóa của nhiễm sắc thể một lá mầm, phân tích cơ sở di truyền của sự khác biệt trong các đặc điểm chính như chiều cao cây và hàm lượng chất xơ giữa dừa cao và dừa lùn, và phát hiện ra "công tắc" chính kiểm soát chiều cao, giải mã "cuộc cách mạng xanh" của cây dừa diễn ra cách đây khoảng 4 triệu năm.
Ảnh cây dừa lùn xanh do người được phỏng vấn cung cấp
Lập bản đồ bộ gen tham chiếu chất lượng cao
Dừa là một trong những cây trồng kinh tế quan trọng của Hải Nam. Tính đến năm 2020, diện tích rừng dừa của tỉnh là 517.900 mẫu Anh, sản lượng hàng năm khoảng 223 triệu quả dừa. Toàn tỉnh có hơn 2 triệu người tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào ngành dừa, tổng giá trị sản lượng hàng năm đạt trên 20 tỷ nhân dân tệ.
"Mặc dù ngành công nghiệp dừa đang rất phát triển nhưng nghiên cứu cơ bản về dừa lại tương đối lạc hậu." Xiao Yong, đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là nhà nghiên cứu tại Viện nghiên cứu dừa thuộc Viện Hàn lâm khoa học nông nghiệp nhiệt đới Trung Quốc, cho biết trong một cuộc phỏng vấn với China Science Daily.
Để phân tích một số hiện tượng và vấn đề sinh học quan trọng, điều đầu tiên là phải có được bộ gen chất lượng cao.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng công nghệ giải trình tự thế hệ thứ ba và Hi-C để lắp ráp và thu được hai bộ gen tham chiếu của dừa ở cấp độ nhiễm sắc thể cho giống dừa cao và dừa lùn.
Trong số đó, kích thước bộ gen của loài dừa cao là 2,39Gb, kích thước bộ gen của loài dừa lùn là 2,40Gb và các bộ gen này được chú thích riêng biệt.
Thông qua phân tích so sánh bộ gen của cây dừa với bộ gen của cây súng và cây cọ dầu, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng cây dừa đã trải qua hai sự kiện nhân đôi toàn bộ bộ gen, trong đó có một sự kiện chỉ có ở họ Palmaceae.
Dừa và cọ dầu, cả hai đều thuộc họ cọ, đã phân hóa cách đây khoảng 27 triệu năm, trong khi dừa cao và dừa lùn phân hóa cách đây khoảng 4 triệu năm.
"Họ cây cọ, trong đó có cây dừa, là một trong những nhóm thực vật một lá mầm cổ xưa nhất và là loài lý tưởng để nghiên cứu sự tiến hóa nhiễm sắc thể của thực vật một lá mầm và sự phân hóa của thực vật cổ đại", Wang Shouchuang, đồng tác giả đầu tiên của bài báo và là giáo sư tại Đại học Hải Nam, cho biết trong một cuộc phỏng vấn với China Science Daily.
Thông qua phân tích so sánh bộ gen dừa chất lượng cao với bộ gen của thực vật một lá mầm như Spirodendrum và dứa, nhóm nghiên cứu đã tái tạo lại kiểu nhân tế bào của các tế bào tổ tiên của thực vật một lá mầm chứa 10 nhiễm sắc thể dựa trên lý thuyết và mô hình tái tạo nhiễm sắc thể tập trung vào telomere, có bằng chứng hỗ trợ mạnh hơn so với kiểu nhân tế bào được báo cáo trước đây là 5 hoặc 7 nhiễm sắc thể; và dựa trên kiểu nhân này, có thể suy ra thêm quá trình tiến hóa của 16 nhiễm sắc thể trong bộ gen của cây dừa.
Những kết quả nghiên cứu trên giúp chúng ta hiểu sâu hơn về sự biến đổi kiểu nhân của thực vật một lá mầm và thậm chí cả quá trình tiến hóa của thực vật hạt kín.
Giải quyết bí ẩn về chiều cao của quả dừa
Cây dừa chủ yếu được chia thành hai nhóm: loài cao và loài thấp, và có nhiều điểm khác biệt về đặc điểm giữa hai nhóm này.
Sự khác biệt rõ ràng nhất là chiều cao. Cây dừa cao có chiều cao từ 15 đến 30 mét, trong khi cây dừa lùn chỉ cao từ 5 đến 15 mét.
Có một sự khác biệt rất lớn. Yếu tố nào quyết định sự khác biệt về chiều cao cây giữa cây dừa cao và cây dừa lùn?
"Điều thú vị nhất về thành tựu này là chúng tôi đã sử dụng phân tích liên kết toàn bộ hệ gen kết hợp với các phương pháp sinh hóa, phân tử và sinh lý để nhân bản gen chính kiểm soát chiều cao của cây dừa - gen GA20ox nằm trên nhiễm sắc thể 12. Chúng tôi cũng phát hiện ra rằng gen này thực sự là gen tương đồng với gen 'Cách mạng xanh' trong lúa, ngô và lúa mì." Luo Jie, đồng tác giả của bài báo và là giáo sư tại Đại học Hải Nam, đã chỉ ra điều này trong một cuộc phỏng vấn với China Science Daily.
Gen "Cách mạng xanh" có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với nhân loại. Khoảng 60 năm trước, các loại cây trồng như lúa, ngô và lúa mì có thân cây cao, không chống chịu được gió và dễ đổ, làm giảm năng suất.
Thông qua các phương pháp sinh học phân tử, các nhà lai tạo đã phát hiện ra gen lùn, sau này được gọi là gen "Cách mạng xanh". Thông qua lai tạo, đã thu được các giống lùn, giải quyết được vấn đề “không đủ thức ăn” và đảm bảo an ninh lương thực.
"Xét đến những kết quả trên, có thể thấy rằng trong quá trình phân hóa loài dừa cách đây khoảng 4 triệu năm, một 'cuộc cách mạng xanh' tương tự như quá trình lai tạo bán lùn của các loại cây trồng như lúa và ngô đã diễn ra." Roger cho biết những gì con người đã làm cách đây 60 năm thì thiên nhiên đã làm cách đây 4 triệu năm.
Ngành công nghiệp dừa có triển vọng rộng lớn, nhưng số lượng vẫn chưa đủ. Một lý do rất quan trọng là chu kỳ sinh trưởng của cây dừa rất dài, khiến việc nhân giống với số lượng lớn trở nên khó khăn. Phải mất 8 đến 10 năm để cây dừa cao ra quả, trong khi phải mất 3 đến 5 năm để cây dừa lùn ra quả. Nếu sử dụng các kỹ thuật lai tạo thông thường, có thể phải mất nhiều thế hệ và nhiều thập kỷ để hoàn thành việc lai tạo một giống cây trồng.
"Với gen kiểm soát đặc điểm chiều cao cây này, chúng ta có thể phát triển các dấu hiệu phân tử và chọn lọc những quả dừa lùn dễ hái hơn trước. Điều này có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian và nguồn lực, đẩy nhanh đáng kể quá trình lai tạo và thúc đẩy sự phát triển nhanh hơn của ngành công nghiệp dừa." Wang Hui, phó giám đốc Viện nghiên cứu dừa thuộc Viện Hàn lâm khoa học nông nghiệp nhiệt đới Trung Quốc, chia sẻ với tờ China Science Daily.
Phân tích các đặc điểm chính có ý nghĩa to lớn
Ngoài chiều cao, cây dừa còn có nhiều đặc điểm khác biệt. Ví dụ, hàm lượng xenluloza trong quả dừa cao tương đối cao, trong khi hàm lượng xenluloza trong quả dừa thấp tương đối thấp.
"Dừa trồng nhiều có nhiều đặc điểm giống với dừa hoang dã hơn. Chúng tôi suy đoán rằng dừa ở các quốc đảo trong vùng nhiệt đới đã lan sang các khu vực khác thông qua các dòng hải lưu và hàm lượng chất xơ là một yếu tố quan trọng quyết định liệu chúng có thể trôi dạt sang đó hay không. Đặc điểm này có liên quan chặt chẽ đến quá trình tiến hóa của dừa", Wang Shouchuang cho biết.
Trên thực tế, quả dừa ban đầu rất nhỏ. Ví dụ, quả dừa hạt dưa chỉ to bằng quả chà là. Để có thể nổi, thông qua quá trình tiến hóa tự nhiên, các sợi trở nên ngày càng dài hơn. Hàm lượng xenlulo cao giúp dừa nổi trên mặt nước, trong khi dừa có hàm lượng xenlulo thấp sẽ chìm xuống biển.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp đa ô-míc và tế bào học để phân tích hiện tượng này. “Chất xơ chủ yếu bao gồm lignin và cellulose. Chúng tôi tập trung vào hai khía cạnh này và chú ý đến tất cả các gen trong con đường tổng hợp lignin và cellulose để xem liệu biểu hiện của các gen này có khác nhau ở dừa cao và dừa lùn hay không.
Kết quả phân tích cho thấy sự khác biệt thực sự rất lớn. Mức độ biểu hiện của các gen liên quan rất cao ở cây dừa cao, nhưng rất thấp ở cây dừa lùn. "Tiểu Dũng giới thiệu. Lần này họ đã tìm thấy sơ bộ các vị trí và gen kiểm soát quá trình tổng hợp xenlulo.
Như câu nói, "Bạn không thể vừa giữ bánh vừa ăn bánh được". Tiêu Dũng cho biết, nếu hàm lượng xenlulo quá cao thì thể tích ở giữa vỏ sẽ rất nhỏ, lượng thịt dừa và nước dừa bên trong cũng sẽ ít hơn.
Lúc đầu, thiên nhiên đã chọn lọc những quả dừa có hàm lượng xenlulo cao hơn. Sau này, với sự phát triển của chọn lọc nhân tạo, các giống dừa có nhiều thịt và nhiều nước dần xuất hiện.
Ngoài chiều cao cây và chất xơ, nhóm nghiên cứu còn phân tích cơ sở di truyền của sự khác biệt trong các đặc điểm chính như khả năng chịu mặn và hàm lượng lipid giữa dừa cao và dừa lùn.
"Sau khi khám phá ra các gen chính cho những đặc điểm này, bước tiếp theo của chúng tôi sẽ là xây dựng một hệ thống lai tạo phân tử để đẩy nhanh tốc độ lai tạo, điều này sẽ đóng góp rất lớn cho ngành. Chúng tôi cũng có thể 'mượn' các gen quyết định các đặc điểm tuyệt vời. Ví dụ, chúng tôi có thể áp dụng các gen chịu mặn cho các loại cây trồng khác để cải thiện khả năng chịu mặn của chúng, điều này sẽ giúp cải thiện di truyền của các giống khác", Wang Hui cho biết.
"Axit lauric trong dừa có hàm lượng cao nhất trong số các loại thực vật mà con người biết đến và axit lauric là nguyên liệu thô quan trọng cho mỹ phẩm. Việc khám phá ra cơ chế phân tử của quá trình tổng hợp và điều hòa lipid dừa sẽ giúp mở rộng chuỗi ngành công nghiệp dừa", Wang Shouchuang cho biết.
Thông tin bài viết liên quan:
https://doi.org/10.1186/s13059-021-02522-9
China Science Daily (2021-11-23 Số 3: Khoa học và Công nghệ Nông nghiệp)
Tác giả: Trương Thanh Đan
Tiêu đề gốc: "Kích thước của cây dừa đã được xác định từ 4 triệu năm trước! 》
Biên tập viên | Triệu Lộ
Sắp chữ | Quách Cương
