Trong công bố trên tạp chí khoa học Cell, một nhóm các nhà sinh học tiến hóa và chuyên gia giải mã gene quốc tế vừa công bố lời giải bất ngờ: khoai tây có thể được hình thành từ cuộc "giao lưu gene" ngẫu nhiên giữa một loài cà chua hoang và một loài thực vật không củ tên Etuberosum, cách đây khoảng 9 triệu năm.

Dù cả cà chua và Etuberosum đều không tạo ra củ dưới lòng đất, nhưng chính sự lai tạo giữa chúng đã tạo ra một loài thực vật mới có khả năng hình thành củ. Củ chính là cơ quan lưu trữ dinh dưỡng giúp cây trồng thích nghi với môi trường lạnh giá dần tại dãy Andes. 

Về sau, con người đã thuần hóa chúng và biến củ khoai tây thành một trong những nguồn lương thực chính của thế giới. Hiện đã có hơn 100 loài khoai tây hoang mọc củ, dù không phải loài nào cũng ăn được do chứa độc tố.

"Việc tiến hóa để mọc củ đã giúp khoai tây có lợi thế vượt trội trong môi trường khắc nghiệt, từ đó mở rộng chủng loài và tạo nên sự đa dạng phong phú như ngày nay", giáo sư Sanwen Huang, chủ tịch Viện Khoa học nông nghiệp nhiệt đới Trung Quốc, trưởng nhóm nghiên cứu, chia sẻ.

Khám phá gene ẩn sau củ khoai tây

Để truy nguyên gốc gác của loài củ quen thuộc này, nhóm nghiên cứu đã phân tích 450 bộ gene từ các giống khoai tây hoang và thuần hóa. Kết quả cho thấy khoảng 14 triệu năm trước, cà chua hoang và Etuberosum từng cùng tách ra từ một tổ tiên chung. Đến khoảng 9 triệu năm trước, sự lai giống tự nhiên giữa hai nhánh này đã tạo ra loài cây có khả năng mọc củ, tiền thân của khoai tây hiện đại.

Etuberosum chỉ gồm 3 loài, có hình dáng hoa và lá giống khoai tây nhưng không mọc củ. Các loài này hiện nay chỉ xuất hiện ở một số nơi biệt lập như đảo Juan Fernández giữa Thái Bình Dương và rừng nhiệt đới ở Chile. Điều này càng khiến giả thiết về mối quan hệ giữa khoai tây và Etuberosum từng gây tranh cãi, bởi gene của khoai tây dường như gần cà chua hơn.

Các nhà khoa học đã áp dụng phân tích phát sinh chủng loài, phương pháp tương tự như xác định quan hệ mẹ con hoặc chị em dựa trên DNA ở người để làm rõ vấn đề. Họ phát hiện các chỉ dấu gene đôi khi cho thấy khoai tây là "chị em" với Etuberosum, nhưng cũng có lúc lại gần gũi với cà chua. Mâu thuẫn này chính là manh mối mở ra lời giải bí ẩn.

"Chúng tôi sử dụng tín hiệu di truyền còn sót lại từ quá khứ, vẫn tồn tại trong các loài thực vật hiện nay, để tái dựng hành trình tiến hóa", nhà thực vật học Sandy Knapp từ Bảo tàng Lịch sử tự nhiên London, thành viên nhóm nghiên cứu, giải thích.

Họ đã thu thập dữ liệu gene từ cả những mẫu vật khoai tây trong bảo tàng lẫn các giống khoai dại quý hiếm chỉ tồn tại ở vài thung lũng nhỏ tại Andes. Đây là cơ sở dữ liệu di truyền về khoai tây hoang toàn diện nhất từng được phân tích.

Củ khoai tây: Kết quả của may mắn

Điều thú vị là: Khoai tây là loài đầu tiên mang gene từ cả hai "người cha mẹ" Etuberosum và cà chua. Có thể do biến đổi địa chất hay khí hậu, hai loài thực vật cổ này từng cùng tồn tại trong một khu vực và được thụ phấn chéo bởi ong.

Gene từ cà chua mang theo "công tắc chính" SP6A, tín hiệu kích hoạt việc mọc củ. Trong khi đó, gene IT1 từ Etuberosum kiểm soát sự phát triển của thân ngầm, hình thành các củ chứa tinh bột. Nếu thiếu một trong hai gene, khoai tây sẽ không thể hình thành củ được.

"Khi lai giống, các gene bị xáo trộn như xáo bài vậy và thật may, ở lần kết hợp ngẫu nhiên đó, hai gene quan trọng đã gặp nhau, tạo nên khả năng mọc củ. Đó hoàn toàn là chuyện tình cờ", nhà thực vật học Knapp ví von.

Sự kiện này diễn ra vào thời điểm dãy Andes đang được nâng lên mạnh mẽ do hoạt động kiến tạo mảng. Cảnh quan khắc nghiệt, lạnh, khô và ở độ cao lớn tại đây đã tạo môi trường lý tưởng để giống khoai tây mới phát triển, loài cây không cần hạt, không cần thụ phấn mà vẫn nhân giống qua củ. Mỗi củ mọc thành cây mới, và cây mới lại cho củ, vòng đời khép kín giúp chúng sống sót và lan rộng.

Tương lai đầy hứa hẹn cho những giống khoai mới

Khoai tây hiện là cây lương thực quan trọng thứ ba toàn cầu, chỉ sau lúa mì và lúa gạo, góp phần vào 80% lượng calo nhân loại tiêu thụ.

Hiểu được nguồn gốc tiến hóa của khoai tây có thể giúp các nhà nghiên cứu tạo ra giống khoai mới thích nghi tốt hơn với biến đổi khí hậu, sâu bệnh hay khô hạn. Việc đưa trở lại một số gene quan trọng từ cà chua vào khoai tây có thể giúp rút ngắn chu kỳ sinh trưởng, hoặc tạo giống khoai sản xuất từ hạt thay vì củ.

Đa dạng di truyền cũng là yếu tố quan trọng. Khoai tây hiện đại thường nhân giống vô tính bằng cách cắt củ ra trồng khiến chúng giống hệt nhau về gene. Nếu sâu bệnh mới xuất hiện, cả ruộng khoai có thể bị xóa sổ. Ngược lại, khoai gieo từ hạt hoặc giống khoai hoang có thể mang tính kháng bệnh cao hơn.

"Chúng tôi quan tâm tới cách khoai tây hoang tự kháng bệnh, cũng như tại sao một số loại sâu bệnh chỉ tấn công khoai tây mà không đụng đến cà chua", nhà nghiên cứu Amy Charkowski từ Đại học bang Colorado nói.

Khoai tây vẫn là cứu cánh tại nhiều vùng khô hạn, mùa hè ngắn và địa hình cao, nơi mà lúa hay ngô không thể trồng được. Và nguồn gốc kỳ lạ của loài củ này, một sự kết hợp tình cờ giữa hai giống cây chẳng liên quan, lại chính là điều khiến nó đặc biệt.

Khoai tây - "củ vua" của năm 2008

TT - Tổ chức Lương nông của Liên Hiệp Quốc (FAO) đã quyết định lấy năm 2008 là Năm quốc tế khoai tây. Kế hoạch tôn vinh khoai tây được xem như một biện pháp nhằm xoa dịu cấp thời nạn đói đang hoành hành ở nhiều nước.