Món ăn thoải mái mà chúng ta biết và yêu thích ngày nay là khoai tây được thuần hóa từ 8, 000 đến 10 000 năm trước từ một loài hoang dã có nguồn gốc từ Dãy núi Andes ở miền nam Peru. Trong thế kỷ 16, những kẻ chinh phục người Tây Ban Nha được cho là đã vận chuyển loại rau củ chắc chắn qua Đại Tây Dương.
Bây giờ, một nhóm các nhà nghiên cứu đã lập biểu đồ về dòng dõi này để tìm hiểu cách thuần hóa khoai tây và cách DNA của nó phát triển theo thời gian.
"Chúng tôi đã giải trình tự bộ gen, hoặc mã di truyền, của một loạt các loại khoai tây có nguồn gốc từ Nam Mỹ - Peru, Bolivia và Ecuador," Richard Veilleux, người đứng đầu Khoa Trồng trọt tại Đại học Công nghệ Virginia cho biết Nông nghiệp và Khoa học Đời sống và Giáo sư Julian và Margaret Gary."Bạn nhìn thấy một cầu vồng khoai tây trên lục địa. Cách chúng di chuyển và được thuần hóa đã được tranh luận trong nhiều năm."
Veilleux và nghiên cứu sinh của anh ấy, Parker Laimbeer, một ứng viên tiến sĩ về trồng trọt từ Rappahannock, Virginia, hợp tác với các đồng nghiệp tại Đại học Bang Michigan, bao gồm C. Robin Buell, một giáo sư sinh học thực vật và Michael Hardigan, một cựu trợ lý nghiên cứu sau đại học và hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học California Davis, để thực hiện một dự án bộ gen thực vật nhằm đáp ứng cơ hội tài trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia. Công trình của họ gần đây đã được xuất bản trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.
"Kết quả giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về cách thuần hóa khoai tây và những gen nào là quan trọng. Chúng tôi cũng xác định những gen tiềm năng để cải thiện trong tương lai và cho thấy trình tự gen thông lượng cao cung cấp các công cụ mới như thế nào", Veilleux nói.
Để tìm hiểu thêm về loại cây trồng này, loại cây quan trọng thứ ba được trồng để làm thức ăn trực tiếp cho con người, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra các loài hoang dã và được trồng trọt, bao gồm khoai tây được tìm thấy ở thị trường Nam Mỹ, các giống Bắc Mỹ nội địa và các chủng tộc trên đất liền, là khoai tây được trồng tương tự như giống khoai tây gia truyền.
Sau đó, bằng cách sử dụng các phương pháp tiếp cận bộ gen hiện đại, các nhà nghiên cứu đã tìm cách cung cấp cái nhìn sâu sắc về sự đa dạng bộ gen, để tiết lộ các sự kiện lai tạo trong lịch sử và xác định các gen được nhắm mục tiêu trong quá trình thuần hóa để kiểm soát phương sai đối với các tính trạng nông nghiệp - tất cả đều quan trọng đối với an ninh lương thực.
"Điều làm cho khoai tây trở nên phức tạp là chúng không giống thật", Veilleux nói. "Nếu bạn gieo hạt, bạn nhận được ít hơn bạn bắt đầu."
Một thay đổi khác đi kèm với quá trình thuần hóa khoai tây là giảm khả năng thụ phấn. Trong khi các loài hoang dã phải phì nhiêu để phát tán hạt giống, các loài trồng trọt phát triển từ củ. Sự không liên quan này đã làm suy giảm khả năng sinh sản của loài và ảnh hưởng có thể được quan sát thấy ở cấp độ bộ gen.
Russet Burbank, một dạng đột biến của khoai tây Burbank, được phát hành vào năm 1902. Cho đến nay, giống khoai tây này vẫn phổ biến nhất ở Hoa Kỳ, nhấn mạnh sự thiếu tiến bộ lâu dài trong việc nhân giống khoai tây.
Tuy nhiên, những nỗ lực để hiểu rõ hơn về cấu tạo gen của khoai tây đã gặp phải nhiều thách thức, trong đó không ít thách thức là thói quen duy trì bốn bản sao của mỗi gen của cây trồng.
Veilleux và Laimbeer đã nghiên cứu sự biến đổi số lượng bản sao - nhiều bản sao của các gen trong cùng một sinh vật. Thông qua quá trình lai tạo, nhiều bản sao của một chuỗi DNA được nhân đôi hoặc xóa bỏ không chỉ ở khoai tây, mà ở tất cả các loài động thực vật. Khi một sinh vật được sinh ra, những thay đổi do quá trình meiosis tạo ra các bản sao khác nhau của các phần khác nhau của bộ gen. Quá trình không hoàn hảo này tạo ra đột biến và DNA thừa. Các bản sao bổ sung của DNA có thể có lợi trong một số trường hợp, dẫn đến gia tăng sự biến đổi gen và bất lợi ở những người khác, dẫn đến bệnh tật.
"Do tính phức tạp về di truyền của khoai tây, chúng tôi không thể tiến hành nghiên cứu này nếu không tiếp cận với bộ gen khoai tây đã được giải trình tự," Laimbeer nói. "Bộ gen được giải trình tự cho phép chúng tôi so sánh tất cả các loại khoai tây khác với bản thiết kế này."
Khi nó xảy ra, Veilleux và Buell là thành viên của Hiệp hội giải trình tự bộ gen khoai tây gồm gần 100 nhà khoa học đã giải trình tự bộ gen khoai tây đầu tiên trên thế giới. Giải trình tự bộ gen khoai tây, được công bố vào năm 2011, dựa trên sự sẵn có của một loại khoai tây "đơn bội kép", được gọi là DM, được phát triển trong phòng thí nghiệm Veilleux. Tính đơn giản về mặt di truyền của củ so với khoai tây thương mại giúp việc giải trình tự dễ dàng hơn bằng cách sử dụng công nghệ giải trình tự thế hệ tiếp theo có sẵn. Trình tự DM tiếp tục đóng vai trò là bộ gen tham chiếu cho khoai tây.
"Chúng tôi căn chỉnh bộ gen của từng củ khoai tây mà chúng tôi nghiên cứu với khoai tây DM", Laimbeer nói. "Bây giờ, chúng ta có thể thấy hình ảnh trên hộp khi ghép từng câu đố về bộ gen của khoai tây lại với nhau. Điều đó rất có ý nghĩa."
Những đóng góp của nhóm nghiên cứu nhằm hiểu rõ hơn về bản thiết kế di truyền của củ có thể giúp người trồng chuyển sang một kế hoạch nhân giống thành công sẽ tạo ra các giống mong muốn. Ví dụ, ngành công nghiệp khoai tây chiên rất chọn lọc về loại khoai tây mà nó sử dụng. Các mẫu snack cuối cùng yêu cầu hàm lượng tinh bột hoàn hảo để tạo ra màu sắc và kết cấu phù hợp khi chiên. Khoai cũng phải đúng hình dạng, có mắt nông mới qua được máy băm.
Nhờ có Veilleux và Laimbeer, sẽ sớm dễ dàng hơn trong việc lai tạo khoai tây chiên hoàn hảo hoặc tiếp cận các đặc điểm mong muốn như tăng cường khả năng kháng bệnh ở các loài hoang dã hoặc nguyên thủy. Họ tin rằng các quần thể tự nhiên phong phú đại diện cho một nguồn tiềm năng thích ứng thiết yếu chưa được khai thác.
Hãy nhìn ra Russet Burbank, có thể sẽ sớm có những giống mới cạnh tranh để giành vị trí khoai tây hàng đầu.
