Trong hàng ngàn năm, cà chua đã biến đổi tự nhiên trong quá trình tiến hóa và con người sau đó đã chọn lọc những đặc điểm mà họ thích. Giờ đây, công nghệ chỉnh sửa bộ gen CRISPR có thể đạt được những thay đổi chính xác hơn. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor đã nghiên cứu khả năng dự đoán của việc trồng cà chua bằng cách sử dụng các đột biến tự nhiên và đột biến do CRISPR gây ra. Kết quả của họ cho thấy các đột biến “nền tảng” từ lịch sử tiến hóa và nông nghiệp có thể có tác động đáng kể đến kết quả của các đột biến được thiết kế. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải hiểu và xem xét những đột biến cơ bản này khi đưa ra những thay đổi di truyền mới.

Trong hàng chục nghìn năm, quá trình tiến hóa đã hình thành nên quả cà chua thông qua các đột biến tự nhiên. Sau khi con người bước vào lĩnh vực trồng cà chua, họ đã dành hàng thế kỷ để trồng cà chua và chọn lọc những đặc tính mà chúng yêu thích. Giờ đây, công nghệ chỉnh sửa bộ gen CRISPR cho phép chúng ta tạo ra các đột biến cây trồng mới giúp cải thiện hơn nữa các tính trạng. Tuy nhiên, không có đột biến đơn lẻ nào, dù là tự nhiên hay nhân tạo, có tác dụng một mình.

Mỗi đột biến hoạt động trong một biển hàng nghìn đột biến được gọi là đột biến "nền". Những thay đổi này là sản phẩm của lịch sử tiến hóa và nông nghiệp. Điều gì sẽ xảy ra nếu chỉ một đột biến có thể thay đổi đáng kể kết quả mong đợi của một đột biến được thiết kế?

Giờ đây, một nhà di truyền học thực vật và một nhà khoa học tính toán tại Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor (CSHL) đã hợp tác để khám phá khả năng dự đoán các đột biến tự nhiên và CRISPR trong nhân giống cây trồng. Để làm được điều này, họ đã quay ngược đồng hồ tiến hóa.

Giáo sư CSHL và nhà nghiên cứu HHMI Zachary Lippman và phó giáo sư David McCandlish muốn biết liệu các đột biến tự nhiên và biến đổi gen khác nhau có tác động tương tự đến kích thước cà chua hay không, tùy thuộc vào sự hiện diện của hai đột biến gen khác. Họ đã sử dụng công nghệ CRISPR để tạo ra một loạt đột biến ở gen SlCLV3. (Các đột biến tự nhiên ở gen này được biết là làm tăng kích thước quả.) Sau đó, họ kết hợp những đột biến này với các đột biến ở các gen khác hoạt động với SlCLV3.

Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor đã thu thập hơn 40 dòng cà chua có đột biến tự nhiên và biến đổi gen ảnh hưởng đến kích thước quả. Những chủng này đã được trồng trong nhiều năm ở nhiều khu vực khác nhau bao gồm Florida và Cold Spring Harbor, New York. Nguồn ảnh: Phòng thí nghiệm Lipman/Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor

Họ đã tạo ra tổng cộng 46 dòng cà chua với các tổ hợp đột biến khác nhau. Họ phát hiện ra rằng tác động của đột biến SlCLV3 dễ dự đoán hơn khi có một số đột biến khác cũng xuất hiện. Đột biến ở một gen tạo ra những thay đổi có thể dự đoán được về kích thước quả cà chua, nhưng đột biến ở gen khác lại tạo ra kết quả ngẫu nhiên. Đáng chú ý, những tác động có lợi nhất liên quan đến hai đột biến xuất hiện từ hàng nghìn năm trước và là yếu tố then chốt trong quá trình thuần hóa cà chua.

Nghiên cứu mới của McCandlish và Lipman có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về khả năng dự đoán di truyền. Nhưng có một điều chắc chắn. Khi giới thiệu các đột biến cây trồng mới, bối cảnh rất quan trọng. Lippman giải thích:

"Việc chỉnh sửa bộ gen có thể nhanh chóng mang lại lợi ích cho người tiêu dùng -- hương vị và dinh dưỡng tốt hơn không? Câu trả lời có lẽ là có. Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để dự đoán được "

Một bộ sưu tập cà chua với sự kết hợp khác nhau giữa đột biến nhân tạo và tự nhiên. Những đột biến này ảnh hưởng đến số lượng mô đệm (hoặc túi hạt), dẫn đến kích cỡ quả khác nhau. Lyndsey Aguirre, sinh viên tốt nghiệp Trường Khoa học Sinh học CSHL, dẫn đầu dự án. Nguồn hình ảnh: Phòng thí nghiệm Lipman/Phòng thí nghiệm Cold Spring Harbor

Công trình của McCandlish và Lipman gợi ý rằng cần phải đánh giá lại vai trò của các đột biến nền. McCandlish nói: “Khi chúng ta bắt đầu tạo ra nhiều sinh vật biến đổi gen cao hơn, lĩnh vực này sẽ phải vật lộn với vấn đề này”. “Một khi bạn bắt đầu tạo ra 10, 20 đột biến, khả năng xảy ra những kết quả không mong muốn có thể tăng lên.”

Sách tiến hóa được viết bằng nhiều ngôn ngữ khác nhau, nhiều ngôn ngữ trong số đó chúng tôi vẫn đang học. Di truyền thực vật và sinh học tính toán đưa ra hai cách để giải mã văn bản. Lipman và McCandlish hy vọng sự giải thích hợp tác của họ sẽ giúp khoa học giải quyết được thách thức này. Trong tương lai, điều này cũng có thể giúp con người thích ứng với cây trồng để đáp ứng nhu cầu xã hội đang phát triển.