Hóa ra khoai tây hiện đại có nguồn gốc từ 'cuộc tình' của cà chua với khoai tây dại cách đây 9 triệu năm!

Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã băn khoăn về nguồn gốc của khoai tây. Cây khoai tây gần như giống hệt ba loài khoai tây Chile etuberosum, nhưng chỉ có Solanum tuberosum mới cho củ.

Đáng chú ý, phân tích di truyền cũng cho thấy cây khoai tây có họ hàng gần với cây cà chua, vốn không có củ. Vậy, câu hỏi lớn đặt ra là làm thế nào một loài có hình thái và di truyền tương tự như cây không có củ lại có thể phát triển được củ?

Để làm sáng tỏ nghịch lý thực vật này, nhóm nghiên cứu đã phân tích một bộ dữ liệu bộ gen toàn diện của hơn 450 giống khoai tây trồng và 56 loài khoai tây dại được thu thập từ khắp Nam Mỹ.

Họ phát hiện ra rằng mỗi loài khoai tây đều thể hiện sự pha trộn DNA ổn định từ cả hai dòng dõi bố mẹ, chứng minh nguồn gốc lai tạo của chúng. Bằng cách sử dụng các mô hình thống kê quần thể, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng cà chua và khoai tây củ có chung tổ tiên khoảng 14 triệu năm trước, với sự kiện lai tạo xảy ra khoảng 9 triệu năm trước.

Gen "siêu đẳng" và sự hình thành củ khoai tây

Đi sâu hơn vào bộ gen, các nhà nghiên cứu đã xác định được hai gen quan trọng cho sự hình thành củ: gen SP6A, một gen điều hòa chính của sự hình thành củ, có nguồn gốc từ dòng cà chua. Trong khi đó, gen IT1, một gen thiết yếu cho sự phát triển của thân ngầm (các cấu trúc ngầm), có nguồn gốc từ dòng củ không củ.

Phân tích chức năng cho thấy sự kết hợp của hai đoạn gen này đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành củ. Việc mất đi một trong hai đoạn gen này sẽ khiến thế hệ con không thể sinh sản vô tính thông qua củ. Đặc điểm tiến hóa mang tính đột phá này trùng hợp với sự nâng cao nhanh chóng của dãy núi Andes, dẫn đến điều kiện môi trường lạnh hơn và khắc nghiệt hơn, khiến quá trình thụ phấn và sản xuất hạt giống trở nên khó khăn hơn.

May mắn thay, các giống lai ban đầu đã phát triển một cơ quan mới gọi là củ, với nguồn dự trữ dinh dưỡng an toàn dưới lòng đất. "Củ cải tiến" này đã giúp chúng sống sót qua khí hậu khắc nghiệt và sinh sản vô tính để tránh nguy cơ giảm khả năng sinh sản. "Những yếu tố này cho phép các giống lai ban đầu sống sót và phát triển nhanh chóng", đồng tác giả đầu tiên Ding Yiyuan giải thích.

Khả năng sinh sản vô tính không cần hạt hoặc thụ phấn cho phép những cây này ổn định các tổ hợp gen lai có lợi và phát triển trong nhiều môi trường khác nhau. Khả năng sinh sản hiệu quả này cũng thúc đẩy sự đa dạng hóa nhanh chóng của các loài khoai tây sau này, hiện bao gồm 107 loài phân bố trên nhiều môi trường khác nhau, từ đó hình thành nên cây lương thực quan trọng thứ ba thế giới như ngày nay.

Tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp

Nghiên cứu này vẫn chưa hoàn tất, và các nhà nghiên cứu thừa nhận rằng cần có thêm bằng chứng để làm rõ cách tổ tiên của khoai tây lấy lại khả năng sinh sản hữu tính bình thường (thông qua hạt).

Tuy nhiên, trọng tâm chính của họ là các ứng dụng dịch mã trong chọn tạo giống khoai tây, đặc biệt là giải quyết các đột biến có hại, một hạn chế di truyền lớn của phương pháp chọn tạo giống khoai tây truyền thống. Bằng cách sử dụng cà chua làm nguồn gen nền tảng mới, các nhà khoa học có thể khắc phục hạn chế này, tạo ra các giống khoai tây mới khỏe mạnh và năng suất cao hơn.

Khám phá này không chỉ là một bước tiến trong sinh học tiến hóa mà còn mở ra một con đường đầy hứa hẹn cho ngành nông nghiệp hiện đại, giúp chúng ta tạo ra những giống cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn trước những biến đổi khí hậu và đảm bảo an ninh lương thực cho toàn cầu.