Khoai tây, một trong những loại lương thực chính của thế giới, nhưng nguồn gốc tiến hóa của loại củ này vẫn còn là một bí ẩn cho đến tận bây giờ.
Khoai tây thực chất có nguồn gốc tiến hóa từ sự lai tạo tự nhiên giữa loài cà chua hoang dã và loài cây không sinh củ, theo một nghiên cứu đột phá vừa công bố trên tạp chí Cell.
Phát hiện này không chỉ lật lại hiểu biết truyền thống về khoai tây mà còn mở ra hướng đi mới cho công nghệ di truyền và nông nghiệp hiện đại.
Khoai tây và cà chua có quan hệ họ hàng gần gũi hơn vẻ ngoài của chúng. (Ảnh: Getty)
Sự lai tạo kỳ lạ cách đây 9 triệu năm
Theo nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học Sinh học và Toán học Quốc tế (Nhật Bản) phối hợp với các trung tâm gene thực vật hàng đầu, khoai tây hiện đại có nguồn gốc từ một sự kiện lai tạo ngẫu nhiên giữa hai loài thực vật hoang dã tại dãy Andes (Nam Mỹ), thuộc khu vực ngày nay là Peru, Bolivia và Ecuador. Sự kiện này diễn ra cách đây khoảng 9 triệu năm, trong bối cảnh địa hình khu vực biến động mạnh do quá trình nâng lên của dãy Andes.
Hai loài tham gia vào quá trình lai tạo là loài cà chua hoang dã - họ hàng gần với giống cà chua ngày nay và loài thực vật tên gọi Etuberosum, vốn không sinh ra củ dưới lòng đất. Sự kết hợp kỳ lạ này không chỉ tạo ra một thực thể lai mới mà còn dẫn đến sự xuất hiện lần đầu tiên của củ – cơ quan lưu trữ dinh dưỡng dưới đất – ở loài cây kết quả.
Phân tích hơn 450 bộ gene từ các giống khoai tây trồng hiện đại và 56 loài khoai tây hoang dã, nhóm nghiên cứu phát hiện hai gene đặc biệt giữ vai trò quyết định trong việc hình thành củ. Gene SP6A – bắt nguồn từ loài cà chua – chịu trách nhiệm chuyển tín hiệu tạo củ, trong khi gene IT1 – từ loài Etuberosum – kiểm soát việc phát triển cấu trúc củ dưới mặt đất. Chính sự tương tác giữa hai gene này dẫn đến sự xuất hiện của loài thực vật đầu tiên có thể sinh ra củ: tổ tiên của khoai tây ngày nay.
“Chúng tôi rất bất ngờ khi phát hiện loài cây tạo ra khoai tây có tổ tiên là cây lai giữa cà chua và loài hoang dã không có củ", nhà di truyền học Hiroshi Maeda, đồng tác giả nghiên cứu, chia sẻ. “Đây là minh chứng ngoạn mục cho sức mạnh của tiến hóa tự nhiên qua lai tạo ngẫu nhiên".
Từ "Andes" tới bàn ăn toàn cầu
Sau hàng triệu năm thích nghi trong tự nhiên, loài thực vật lai này dần phát triển và đa dạng hóa, hình thành hơn 100 loài khoai tây hoang dại, trong đó một số loài được người bản địa vùng Andes thuần hóa cách đây khoảng 7.000–10.000 năm. Chính người dân bản địa ở Peru và Bolivia là những người đầu tiên chọn lọc, nhân giống và trồng trọt khoai tây làm lương thực.
Từ vùng núi Nam Mỹ, khoai tây theo chân các nhà thám hiểm Tây Ban Nha đến châu Âu vào thế kỷ 16, rồi nhanh chóng lan rộng ra khắp thế giới nhờ khả năng sinh trưởng mạnh, giá trị dinh dưỡng cao và dễ bảo quản.
Hiện trên toàn thế giới có khoảng 5.000 giống khoai tây khác nhau - từ giống trồng phổ biến trong nông nghiệp công nghiệp đến các giống bản địa quý hiếm được gìn giữ bởi người dân bản địa vùng Andes.
Theo Trung tâm Khoai tây Quốc tế (CIP) đặt trụ sở tại Peru, khoai tây hiện là loại cây lương thực quan trọng thứ ba thế giới, chỉ sau lúa gạo và lúa mì, và là nguồn cung cấp tinh bột chủ yếu cho hàng tỷ người trên hành tinh.
Trung Quốc hiện là quốc gia sản xuất khoai tây hàng đầu, theo sau là Ấn Độ, Nga và Hoa Kỳ. Không chỉ đóng vai trò chủ lực trong an ninh lương thực, khoai tây còn có tiềm năng lớn trong công nghiệp chế biến thực phẩm và phát triển cây trồng biến đổi gene trong tương lai.
Tuy nhiên, với bản chất là loài thực vật có khả năng tự nhân giống vô tính qua củ, quá trình chọn lọc giống khoai tây trong hàng thế kỷ qua dẫn đến tích lũy nhiều đột biến gene không mong muốn, ảnh hưởng đến năng suất và khả năng chống chịu.
Huang Sanwen, nhà nghiên cứu tham gia dự án, nhận định: "Việc loại bỏ tất cả các đột biến có hại trong bộ gene khoai tây trong quá trình lai tạo luôn rất khó khăn. Nghiên cứu này mở ra cánh cửa mới để tạo ra khoai tây không có đột biến bằng cách sử dụng cà chua làm khung gầm sinh học tổng hợp".
Từ góc độ ứng dụng, Zhiyang Zhang, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Hàn lâm Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc, cho biết khám phá về mối quan hệ tiến hóa giữa cà chua và khoai tây có thể dẫn đến việc tạo ra một loài cây trồng lai có khả năng "tạo quả cà chua trên mặt đất và củ khoai tây dưới lòng đất". Một bước tiến có thể giải quyết bài toán không gian trồng trọt và đa dạng hóa dinh dưỡng trong cùng một cây.
Cả khoai tây và cà chua đều thuộc họ Cà (Solanaceae) – nhóm thực vật có hoa lớn bao gồm cả ớt chuông, cà tím và thậm chí là thuốc lá. Tuy có sự khác biệt rõ rệt ở bộ phận được tiêu thụ (củ và quả), nhưng bản thân hai loài này lại có cấu trúc sinh học rất tương đồng.
Sandra Knapp, nhà thực vật học tại Bảo tàng Lịch sử Tự nhiên London, nói thêm: "Chúng ta sử dụng những bộ phận khác nhau của hai loài cây – quả cà chua và củ khoai tây – nhưng nếu bạn nhìn vào hoa hoặc lá của chúng, sẽ thấy chúng gần như giống hệt nhau.
Trên thực tế, nếu cây khoai tây ra quả, trông chúng chẳng khác gì những quả cà chua xanh nhỏ. Nhưng xin lưu ý, đừng ăn chúng – chúng không ngon và có thể gây độc."
Nghiên cứu không mở rộng sang các loại củ rễ khác có nguồn gốc từ Nam Mỹ như khoai lang hay sắn, bởi chúng thuộc những họ thực vật khác và có hành trình tiến hóa riêng biệt. Tuy nhiên, khoai tây – với lịch sử tiến hóa độc đáo và vai trò ngày càng lớn trong sản xuất nông nghiệp – đang dần trở thành hình mẫu cho các nghiên cứu về di truyền học, tiến hóa thực vật và nông nghiệp thông minh trong tương lai.
“Chúng ta đang bước vào một kỷ nguyên mà kỹ thuật di truyền có thể cho phép chúng ta quay ngược tiến hóa để tạo ra những giống cây mạnh mẽ và bền vững hơn", nhà sinh học phát triển Angela Herrera tại Đại học Cornell nhận định.
