Sau 13 Năm, Nhà Khoa Học Cuối Cùng Vẽ Bản Đồ Gen Ngô Khổng Lồ

Trên một cánh đồng ở mép khuôn viên của Trường Đại học Minnesota ở St. Paul, nửa tá sinh viên và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm nghiêng mình nhìn lên bầu trời chiều tối đang tối đen. Cơn bão mưa đe doạ có thể mang lại sự nhẹ nhõm khỏi cái nóng 90 độ tháng Tám, nhưng nó sẽ không giúp thu hoạch hết lúa mì này. Di chuyển giữa các hàng ngắn, họ cắt khoảng 100 đầu nhọn, đặt chúng vào một thùng nhựa và mang về một máy gặt Vogel ầm ĩ đậu ở mép đất. Từ đó, họ đóng gói và đặt nhãn cho các hạt trước khi đưa chúng vào một chiếc xe tải để mang về phòng thí nghiệm của James Anderson để phân tích.

Bên trong những chiếc túi đó, người lai giống lúa lâu năm hy vọng tìm thấy hạt lúa mì không có nấm trắng nổi, bệnh đầu bông Fusarium, tạo ra một độc tố độc hại. Anh ta đang tìm kiếm các gen mới có thể làm cho lúa mì chống lại một trong những bệnh tật cây trồng tàn phá nhất trên thế giới. Anderson điều hành chương trình lai giống lúa của trường đại học, một trong số hàng chục chương trình ở Hoa Kỳ chuyên nghiệp cải thiện cây mùa thông qua nhiều thế hệ lai giống truyền thống, và ngày càng nhiều, với sự hỗ trợ của công nghệ gen. Hôm nay, hộp công cụ của anh ấy đã trở nên lớn hơn nhiều.

Trong một báo cáo của Khoa học được xuất bản vào thứ Năm, một đội ngũ quốc tế gồm hơn 200 nhà nghiên cứu trình bày chuỗi gen ngô lúa đầy đủ, chất lượng cao đầu tiên. Như một bản đồ vật lý của gen khổng lồ—ngô có năm lần nhiều DNA hơn bạn—chuỗi được chú thích đầy đủ cung cấp vị trí của hơn 107.000 gen và hơn 4 triệu đánh dấu gen trên 21 nhiễm của cây. Đối với một loại ngô cung cấp thức ăn cho một phần ba dân số thế giới, đây là một cột mốc có thể sánh kịp với ngày bắt đầu thuần dưỡng của nó cách đây 9.000 năm.

“Việc những người chăn nuôi sử dụng thông tin mà chúng tôi cung cấp để phát triển các loại cây mà phù hợp hơn với các khu vực địa phương thực sự là nền tảng để nuôi dưỡng dân số trong tương lai,” nói Kellye Eversole, giám đốc điều hành của Liên minh Chuỗi gen Ngũ cốc Quốc tế, đội ngũ nghiên cứu công tư làm việc hơn một thập kỷ để hoàn thành chuỗi gen. Được thành lập vào năm 2005, Eversole cho biết mục tiêu của IWGSC là giúp cải thiện các đặc tính mới của cây trồng cho một thế giới đang thay đổi.

Các chương trình lai tạo như của Anderson liên tục săn tìm các dòng lúa mạch mà sẽ đáp ứng nhu cầu của những người nông dân đối mặt với thực tế kinh tế và môi trường khó khăn. Một nghiên cứu năm 2011 trên Khoa học cho thấy rằng nhiệt độ đang tăng đã gây suy giảm sản xuất lúa mạch. Nghiên cứu gần đây trong Tự nhiên cho thấy rằng xu hướng đó chỉ sẽ trở nên tồi tệ hơn, với sự suy giảm 5% trong sản lượng lúa mạch cho mỗi độ Fahrenheit tăng.

Vậy những đặc tính nào làm cho lúa mạch tốt hơn? Khả năng phát triển ở những khu vực nhiệt đới là một điểm cộng. Và sự chống chọi với bệnh tật cũng là điều tốt. Nhưng nông dân cũng có những ưu tiên khác. “Khi chọn một loại, họ đầu tiên xem xét năng suất, sau đó là khả năng chống đổ, và cuối cùng là nội dung protein,” Anderson nói. Đổ là khi một cây lúa bị cong xuống, đổ dúi dụi dưới trọng lượng của nó. Sức mạnh của cây lúa là một cách để đối phó với vấn đề đó. Nhưng những người lai tạo phải cẩn thận để cân bằng những đặc tính đó với những đặc tính khác, như thành phần dinh dưỡng. “Chúng tôi đang cố gắng tích hợp khả năng chống bệnh vào một bộ sản phẩm toàn diện mà người nông dân sẽ thấy hấp dẫn,” Anderson nói.

Xây dựng gói sản phẩm toàn diện vẫn là một quy trình chậm, đòi hỏi nhiều lao động. Những người lai tạo cẩn thận lấy ra những phần sản xuất phấn từ mỗi “hạt nhụy” nhỏ trên cây lúa để họ có thể thụ phấn từng cái với phấn từ các cây có những đặc tính mong muốn khác nhau; lặp lại quy trình đó hàng nghìn lần mỗi năm. Sau đó, họ lọc và chọn lựa những đặc tính họ muốn, điều đó đòi hỏi kiểm tra hiệu suất của hàng nghìn cây cá thể qua mùa mùa mọc. Trong phòng thí nghiệm của Anderson, nơi tập trung vào khả năng chống lại bệnh đầu trắng nang, điều đó có nghĩa là phun các đợt thí nghiệm trên cánh đồng với nấm bã trầu và xem xét những cây nào không chết. Mới chỉ trong ba năm qua ông đã sử dụng các công nghệ chuỗi gen để giúp tạo ra thêm những người sống sót.

Khu vực mà đoàn của anh ấy đang thu hoạch vào thứ Ba được gọi là “dân số huấn luyện”: 500 cây cá thể được chọn để đại diện cho một nhóm lớn hơn gồm 2,500 cây đã được thực hiện chuỗi gen. Bằng cách kết hợp dữ liệu gen với dữ liệu hiệu suất trường của họ, Anderson có thể đưa ra dự đoán tốt hơn về những cây nào sẽ có khả năng chống lại bệnh tốt nhất và nền gen nào sẽ truyền đạt đặc tính đó.

Để sắp xếp những chuỗi gen đó, sinh viên sau đại học trong phòng thí nghiệm của Anderson đã sử dụng một phiên bản trước đó, nguyên thô hơn của bản mẫu gen tham chiếu, mà IWGSC công bố vào năm 2014. “Điều đó đã làm cho việc xác định các đánh dấu DNA tốt dễ dàng hơn, chúng là những thẻ cho các gen mà chúng tôi quan tâm theo dõi,” Anderson nói. Chuỗi được công bố hôm nay, bao gồm 94% gen so với 61%, sẽ càng hữu ích hơn để liên kết các đặc tính cụ thể với các gen cụ thể và bắt đầu điều chỉnh.

Câu hỏi tiếp theo là, làm thế nào để thực hiện những điều chỉnh đó một cách chính xác? Khác với ngô, đậu nành và cải dầu, chưa ai đã thương mại hóa lúa mạch biến đổi gen. Anderson đã từng làm việc với Monsanto để tạo ra một loại lúa mạch có khả năng chống Roundup, nhưng tập đoàn này đã rút khỏi đối tác vào năm 2004. “Đó chủ yếu là văn hóa và liên quan đến thương mại,” Anderson nói. “Thế giới chưa sẵn sàng cho nó vào thời điểm đó, và có lẽ vẫn chưa sẵn sàng cho nó.” Một số người nhập khẩu lớn nhất của lúa mạch Mỹ - Châu Âu và Nhật Bản - đã là những đối thủ mạnh mẽ nhất của thực phẩm biến đổi gen.

“Bánh là trái tim của bữa ăn,” nói Dan Voytas, một nhà khoa học cây cỏ đồng hương tại Đại học Minnesota và là đồng sáng lập của công ty nông nghiệp sửa gen, Calyxt. “Nó có vẻ thiêng liêng trong tầm nhìn của công chúng.” Calyxt là một trong những công ty mới nổi đang cạnh tranh để đưa ra thị trường những sản phẩm sửa gen đầu tiên; họ đang phát triển một loại lúa mạch giàu chất xơ mới trong những nhà kính kín của họ, nằm cách vài dặm từ khu vực thử nghiệm của Anderson. Công nghệ mới như Crispr, zinc fingers và TALENs hiện chưa phải đối mặt với sự chống đối văn hóa giống như thế hệ GMO đầu tiên. Một quyết định của USDA vào tháng 3 năm nay tuyên bố rằng cơ quan này sẽ chủ yếu từ chối quy định về cây sửa gen, miễn là chúng không giới thiệu bất kỳ vật liệu gen nào cách ly hoang dã.

Gen bản mẫu mới hứa hẹn tăng tốc quá trình phát triển các sản phẩm kỹ thuật gen mới, bổ sung cho những loại cây trồng từ các chương trình lai tạo truyền thống. Nhưng giống như hầu hết công việc genôm, bản đồ lúa mạch mới vẫn còn nhiều chỗ để thêm chi tiết hơn. Cho đến nay, nó chủ yếu đã được chú thích thủ công - nghĩa là các nhà nghiên cứu đã đi qua tay và thêm tất cả thông tin họ biết về vị trí của gen và cách chúng hoạt động. Công nghệ có thể giúp tăng tốc quá trình đó: IWGSC đang tìm kiếm sự hỗ trợ để tài trợ một dự án thử nghiệm chú thích sâu bằng học máy. “Chúng tôi đang ở trong một thời kỳ hoàn toàn khác nhau, nơi chúng ta có thể thử nghiệm một số phương pháp có nguy cơ cao, có thưởng cao mà có thể mang lại cho chúng ta 80 hoặc 90 phần trăm thông tin và sau đó chúng ta có thể đi vào và điền vào những khoảng trống,” Eversole nói. Với 14.5 tỷ cặp cơ sở gen lớn đến mức đáng kinh ngạc, gen bản mẫu lúa mạch có thể thực sự cần một số trí tuệ không phải con người để giúp nó đạt đến tiềm năng đầy đủ.

Những điều tuyệt vời khác từ Mytour

• Tái sinh của Magic Leap thành một công ty có sản phẩm thực sự
• Bài hình ảnh: Những tài xế kín đáo của taxi Tokyo
• Sayonara, điện thoại thông minh: Những chiếc máy ảnh chụp điểm và bắn tốt nhất
• Cuộc sống kỳ lạ của một tên sát nhân trở thành blogger tội ác
• Phiên bản mới của trailer nhỏ Airstream được nâng cấp để chạy off-road
• Thèm khát thêm nhiều cuộc thám hiểm sâu sắc trên chủ đề yêu thích tiếp theo của bạn? Đăng ký nhận bản tin Backchannel