Một phân tích và so sánh mới về bộ gen của các loài thuộc chi Malus, bao gồm cả táo thuần hóa và các họ hàng hoang dã, đã làm sáng tỏ mối quan hệ tiến hóa giữa các loài và quá trình tiến hóa của bộ gen trong gần 60 triệu năm qua. Nhóm nghiên cứu đã xác định các biến thể cấu trúc trong các bộ gen và phát triển các phương pháp để xác định những gen liên quan đến các đặc điểm mong muốn, như hương vị và khả năng chống chịu bệnh tật cũng như điều kiện lạnh giá. Những phát hiện này có thể định hướng cho các chương trình lai tạo táo trong tương lai.
Bài báo mô tả nghiên cứu này, do một nhóm quốc tế gồm các nhà sinh vật học từ Penn State thực hiện, đã được công bố vào ngày 16/4 vừa qua trên tạp chí Nature Genetics.
"Có khoảng 35 loài trong chi Malus, nhưng mặc dù táo là một loại cây ăn quả quan trọng, vẫn chưa có nghiên cứu sâu rộng nào về cách bộ gen của nhóm này tiến hóa," Hong Ma, Chủ tịch Viện Huck về Phát triển và Tiến hóa Sinh sản Thực vật, đồng thời là Giáo sư Sinh học tại Cao đẳng Khoa học Eberly thuộc Penn State, cho biết. "Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã đi sâu vào bộ gen của Malus, thiết lập cây phả hệ táo, ghi lại các sự kiện như nhân đôi toàn bộ bộ gen và lai tạo giữa các loài, đồng thời xác định các vùng của bộ gen liên quan đến những đặc điểm cụ thể, như khả năng kháng bệnh ghẻ táo."
Nhóm nghiên cứu đã giải trình tự và lắp ráp bộ gen của 30 loài trong chi, bao gồm cả giống táo vàng thuần hóa. Trong số 30 loài, có tới 20 loài là lưỡng bội, tức là chúng có hai bản sao của mỗi nhiễm sắc thể, tương tự như con người, trong khi 10 loài là đa bội, có ba hoặc bốn bản sao của mỗi nhiễm sắc thể, có thể là do sự lai tạo tương đối gần đây giữa lưỡng bội và các họ hàng khác trong chi Malus. Bằng cách so sánh trình tự của gần 1.000 gen từ mỗi loài, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một cây phả hệ cho chi và sử dụng phân tích sinh học địa lý để truy tìm nguồn gốc của nó đến khoảng 56 triệu năm trước ở châu Á.
"Lịch sử tiến hóa của chi Malus khá phức tạp, với nhiều ví dụ về sự lai tạo giữa các loài và các sự kiện nhân đôi toàn bộ bộ gen chung, điều này khiến việc so sánh trở nên khó khăn. Sự có mặt của bộ gen chất lượng cao cho một số lượng lớn các loài trong chi và việc hiểu rõ mối quan hệ giữa chúng cho phép chúng tôi đào sâu hơn vào cách chi này tiến hóa," ông Ma cho biết.
Để phân tích sâu hơn về lịch sử và sự tiến hóa của bộ gen Malus, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra 30 bộ gen được giải trình tự thông qua phương pháp phân tích gọi là pan-genomics. Phương pháp này bao gồm một so sánh toàn diện đối với cả các gen được chia sẻ hoặc bảo tồn và các trình tự khác, chẳng hạn như transposon (gen nhảy) do khả năng di chuyển trong bộ gen giữa 30 loài, cũng như các gen chỉ xuất hiện trong các tập hợp con của bộ gen. Phân tích toàn bộ gen kết hợp thông tin từ một nhóm có quan hệ gần gũi, nhằm hiểu rõ hơn về sự bảo tồn và phân kỳ tiến hóa, và được hỗ trợ rất nhiều bởi công cụ biểu đồ toàn bộ gen.
"Việc sử dụng toàn bộ bộ gen của 30 loài rất hiệu quả trong việc phát hiện biến thể cấu trúc, cũng như sự nhân đôi và sắp xếp lại gen, điều này có thể bị bỏ sót khi chỉ so sánh một vài bộ gen. Trong trường hợp này, một trong những biến thể cấu trúc chưa được phát hiện đã cho phép chúng tôi xác định chính xác phân đoạn bộ gen liên quan đến khả năng kháng bệnh ghẻ táo, một loại bệnh nấm ảnh hưởng đến táo trên toàn cầu," ông Ma cho biết.
Nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển một công cụ phân tích toàn bộ bộ gen nhằm tìm bằng chứng về các đợt quét chọn lọc, một quá trình trong đó một đặc điểm có lợi gia tăng nhanh chóng về tần suất trong một quần thể. Sử dụng phương pháp này, họ đã xác định được một vùng bộ gen chịu trách nhiệm cho khả năng kháng lạnh và bệnh ở các loài Malus hoang dã, đồng thời có thể liên quan đến vị đắng ở quả.
"Có thể trong nỗ lực tạo ra loại quả có hương vị ngon nhất, chúng ta đã vô tình làm giảm độ cứng của táo thuần hóa," ông Ma cho biết thêm. "Hiểu biết về các biến thể cấu trúc trong bộ gen Malus, mối quan hệ giữa các loài và lịch sử lai tạo của chúng thông qua phân tích toàn bộ bộ gen có thể giúp định hướng cho các nỗ lực lai tạo trong tương lai, nhằm giữ lại các đặc điểm có lợi cho hương vị và khả năng kháng bệnh ở táo."
