Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Genetics, các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Đổi mới Cây trồng và Thực phẩm của Đại học Murdoch, Viện Khoa học Nông nghiệp Đại học Bắc Kinh, Viện Khoa học Nông nghiệp tỉnh Quảng Tây, Viện Khoa học Nông nghiệp tỉnh Sơn Đông và Đại học Chiết Giang đã giải trình tự hai tổ tiên hoang dại của cây lạc trồng, bốn giống lạc canh tác, đồng thời xây dựng bộ gen tham chiếu cho hai phân loài lạc trước đây chưa từng được lập bản đồ đầy đủ.

Sau đó, nhóm nghiên cứu phân tích DNA của 521 mẫu lạc (accessions) được thu thập từ khắp nơi trên thế giới nhằm xác định các biến thể di truyền liên quan đến kích thước hạt, hàm lượng dầu và các đặc tính nông học quan trọng khác.

Lạc từ lâu được biết đến là rất khó giải trình tự do cấu trúc di truyền phức tạp, chứa nhiều DNA lặp lại. Do những thách thức này, các nỗ lực giải trình tự trước đây vẫn còn nhiều khoảng trống và vùng chưa được lập bản đồ, hạn chế các chương trình lai tạo ứng dụng genomics hiện đại.

Tuy nhiên, bộ lắp ráp bộ gen hoàn chỉnh từ đầu đến cuối (telomere-to-telomere) lần này đã lấp đầy các khoảng trống và xác định được hai gen ứng viên: một gen liên quan đến hàm lượng dầu và một gen liên quan đến kích thước hạt.

Gen đầu tiên, có tên AhWRI1, liên quan đến sự khác biệt khoảng 6 điểm phần trăm (xấp xỉ 48% so với 54%) trong hàm lượng dầu giữa các giống lạc mang các biến thể khác nhau của gen này.

Gen thứ hai, AhGSA1, liên quan đến việc tạo ra hạt lớn hơn đáng kể. Các dòng lạc mang một biến thể của gen này có khối lượng trung bình khoảng 846 gram trên 1.000 hạt, so với 491 gram ở các dòng mang biến thể còn lại — chênh lệch hơn 70%.

Cả hai biến thể này có thể được sử dụng như các chỉ thị DNA trong các chương trình lai tạo lạc truyền thống để đẩy nhanh việc phát triển các giống có năng suất cao hơn và hàm lượng dầu cao hơn.

Giáo sư Rajeev Varshney, Giám đốc Trung tâm Đổi mới Cây trồng và Thực phẩm và đồng tác giả chính của nghiên cứu, cho biết:

“Lạc là nguồn dầu ăn và protein thiết yếu cho hàng trăm triệu người, nhưng di truyền học của nó lại khó nghiên cứu hơn nhiều so với hầu hết các cây trồng chính. Tuy nhiên, với nguồn dữ liệu bộ gen mới này, các nhà lai tạo và nhà nghiên cứu cuối cùng đã có một bộ gen tham chiếu hoàn chỉnh, không còn khoảng trống, để phát triển các giống lạc năng suất cao và giàu dinh dưỡng hơn.”

Nghiên cứu cũng xác định một đoạn DNA lớn có mặt ở tất cả các cây thuộc một phân loài lạc (var. hirsuta) nhưng hầu như không có ở phân loài khác (var. hypogaea). Vùng này chứa các gen liên quan đến cấu trúc cây và chuyển hóa lipid, cung cấp lời giải thích rõ ràng cho một số khác biệt quan sát được giữa các loại lạc này.

Các bộ gen mới cũng cho thấy hai nửa của bộ gen lạc đã tiến hóa với tốc độ rất khác nhau, thể hiện qua sự khác biệt về lượng DNA lặp lại, sự biến đổi của các tâm động theo hướng ngược nhau và tần suất thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể.

“Chúng tôi biết rằng lạc trồng mang hai bộ nhiễm sắc thể từ hai loài tổ tiên khác nhau đã hợp nhất hàng nghìn năm trước,” Giáo sư Varshney nói.

“Nhưng điều chúng tôi chưa nhận ra là mức độ bất đối xứng trong quá trình tiến hóa của hai nửa này, hoặc lý do vì sao.”

“Hiểu được sự phân hóa giữa hai bộ gen con này giúp giải thích vì sao lạc có các đặc tính di truyền như hiện nay, và nơi nào có thể tìm thấy nguồn đa dạng di truyền hữu ích cho lai tạo.”

Phát biểu về nghiên cứu, Phó Hiệu trưởng Viện Tương lai Thực phẩm, Giáo sư Peter Davies, cho biết:

“Lạc đóng vai trò quan trọng đối với an ninh lương thực và dinh dưỡng toàn cầu, đồng thời khả năng cố định đạm của chúng khiến chúng trở thành lựa chọn tuyệt vời cho luân canh cây trồng bền vững. Vì vậy, dù ngành công nghiệp lạc của Úc có quy mô khiêm tốn so với thế giới, dấu ấn nghiên cứu của Murdoch đối với cây trồng quan trọng này vẫn tiếp tục mở rộng. Tôi xin chúc mừng Giáo sư Varshney và nhóm nghiên cứu, vì chính những nguồn dữ liệu như thế này sẽ giúp chúng ta tiến gần hơn tới một hệ thống nông nghiệp bền vững và đảm bảo an ninh lương thực.”

Phó Hiệu trưởng phụ trách Nghiên cứu & Đổi mới của Đại học Murdoch, Giáo sư Peter Eastwood, bổ sung:

“Việc lắp ráp bộ gen người đầu tiên theo phương pháp T2T (từ đầu đến cuối) mới chỉ được thực hiện cách đây bốn năm. Xét việc lạc có bốn bộ nhiễm sắc thể đến từ hai loài khác nhau, việc hoàn thành bộ lắp ráp T2T của sáu giống lạc là một thành tựu đáng kinh ngạc. Chúng tôi vô cùng tự hào khi các nhà nghiên cứu tại Đại học Murdoch đang ở tuyến đầu của nghiên cứu genomics, và mong chờ Giáo sư Varshney cùng nhóm của ông áp dụng phương pháp này cho lúa mì và các cây trồng quan trọng khác trong nông nghiệp quy mô lớn và làm vườn.”