Bọ cánh cứng khoai tây Colorado là loài gây hại lớn ở Bắc Mỹ có thể làm giảm năng suất khoai tây từ 30-50% nếu không được kiểm soát. Việc kiểm soát trước đây chủ yếu dựa vào việc sử dụng thuốc trừ sâu, nhưng sự thất bại của việc kiểm soát hóa học đối với bọ khoai tây Colorado đã được báo cáo đối với hầu hết các loại thuốc trừ sâu tổng hợp chính.
Vào những năm 1980, chúng ta đã biết rằng Solanum chacoense, một loài hoang dã từ Argentina, có khả năng chống lại bọ khoai tây Colorado rất cao. Các nhà lai tạo Hoa Kỳ và Canada đã cố gắng lai tạo các giống kháng bọ cánh cứng, nhưng rất khó để chuyển tính kháng mạnh mà chúng ta thấy ở họ hàng hoang dã thành các giống thương mại.
Đại học Bang Michigan đã theo bước các nhà nghiên cứu khoai tây trước đó và đã làm việc với thách thức này bằng cách sử dụng các công cụ nghiên cứu được tối ưu hóa trong khoai tây trong hơn một thập kỷ, chẳng hạn như bộ gen và chỉnh sửa gen. Việc kết hợp những công cụ này với một chiến lược nhân giống mới giúp đơn giản hóa việc nhân giống khoai tây đã cho phép chúng tôi tạo ra những tiến bộ giúp đưa các giống kháng bọ cánh cứng vào tầm tay.
Họ hàng nhà khoai tây hoang dã tự nhiên tạo ra các hợp chất diệt côn trùng của riêng họ để ngăn chặn các loài gây hại như bọ khoai tây Colorado. Các loài hoang dã khác nhau tạo ra các phiên bản độc đáo của các hợp chất này được gọi là glycoalkaloid. Một số có hiệu quả đến mức chúng gây ra tỷ lệ tử vong ở ấu trùng bọ khoai tây Colorado và làm giảm đáng kể lượng ăn của bọ trưởng thành.
Việc sản xuất glycoalkaloid trong lá khoai tây có lợi cho việc xua đuổi bọ đói, nhưng tiêu thụ một lượng lớn glycoalkaloid có thể gây ra những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe ở người. Vì lý do này, Giáo sư David Douches và nghiên cứu sinh Natalie Kaiser tại Đại học Bang Michigan đang nghiên cứu để tạo ra các giống khoai tây tổng hợp một glycoalkaloid mạnh gọi là leptine chỉ có trong lá của khoai tây.
Bằng cách so sánh cấu trúc hóa học của hàng trăm củ khoai tây riêng lẻ với khả năng chống lại bọ khoai tây Colorado trên đồng ruộng, Kaiser cũng tìm thấy các dấu hiệu hóa học có thể dự đoán hiệu suất trên đồng ruộng. Điều này có nghĩa là các nhà lai tạo có thể chọn khoai tây kháng thuốc bằng một phép đo hóa học đơn giản thay vì phải tiến hành khảo nghiệm trên thực địa.
Các nhà nghiên cứu đã cố gắng đưa vào sản xuất glycoalkaloid leptine mạnh cho cây trồng khoai tây trước đó và gặp phải một số trở ngại. Đối với những người mới bắt đầu, có rất nhiều gen kiểm soát các loại và số lượng glycoalkaloid mà bất kỳ giống khoai tây nhất định nào sẽ tạo ra. Nhận được sự kết hợp chính xác của các gen là rất quan trọng. Để theo dõi tốt hơn tất cả các tác nhân di truyền, phòng thí nghiệm Douches đã giải trình tự toàn bộ bộ gen của những củ khoai tây dại này có khả năng chống lại bọ khoai tây Colorado và những loài nhạy cảm với sâu bệnh. Sau đó, Kaiser xác định những thay đổi quan trọng ở cấp độ DNA giữa các củ khoai tây, giải thích sự khác biệt trong cấu trúc hóa học của chúng và khả năng yêu thích của bọ khoai tây Colorado.
Bây giờ chúng ta đã biết bộ gen cần thiết để tạo ra một cây khoai tây kháng bệnh, thách thức tiếp theo là chuyển tất cả các gen vào một cây khoai tây với các đặc tính tốt khác, chẳng hạn như năng suất cao và hình dạng củ mong muốn, bằng cách thụ phấn chéo. Quá trình này phức tạp bởi thực tế là các giống khoai tây có bốn bản sao của mỗi gen. Để làm cho vấn đề phức tạp hơn, mỗi bản sao trong số bốn bản sao có thể là một phiên bản khác nhau của gen. Rất khó để đảm bảo rằng tất cả bốn bản sao của gen mà chúng ta quan tâm là bản sao mong muốn cần thiết cho sự kháng thuốc.
Một chiến lược để khắc phục vấn đề này là làm việc với những củ khoai tây tự nhiên chỉ có hai bản sao của mỗi gen, được gọi là khoai tây lưỡng bội. Nhiều họ hàng với khoai tây hoang dã, bao gồm cả các loại kháng bọ hung khoai tây Colorado sản sinh ra leptine, là loại lưỡng bội. Thông qua quá trình tự thụ phấn, Kaiser đã có thể phát triển các dòng lưỡng bội lai có khả năng chống lại bọ khoai tây Colorado mạnh mẽ. Các dòng lai lưỡng bội này đơn giản hóa quá trình lai tạo vì các tính trạng sinh sản đúng, giống như hai bố mẹ trong một phép lai ngô. Chúng ta có thể dễ dàng theo dõi cách di truyền các gen ảnh hưởng đến tính kháng của bọ cánh cứng vì chúng ta biết bản sao của mỗi gen mà chúng sẽ truyền cho con cháu.
Thật thú vị, đây là những dòng lai đầu tiên được chọn cho một tính trạng kháng cụ thể ở khoai tây! Chúng tôi đã lai những dòng này đến những dòng giống tốt nhất của chúng tôi. Vào năm 2021, nhóm MSU sẽ sàng lọc con lai của những con lai này trên thực địa và sẽ xem xét để xác định những cá thể có đặc điểm củ tốt kết hợp với khả năng kháng bọ cánh cứng. Làm việc với các dòng lai, chúng ta cũng có thể bắt đầu kết hợp tính kháng của bọ cánh cứng với các đặc điểm khác, chẳng hạn như khả năng kháng bệnh.
Hơn nữa, trong hệ thống di truyền đơn giản hơn này, phòng thí nghiệm Douches đang sử dụng các công cụ di truyền hiện đại như chỉnh sửa bộ gen. Kaiser đang sử dụng chỉnh sửa bộ gen để tắt chọn lọc các gen, từng gen một hoặc kết hợp để xác định xem chúng có cần thiết cho việc bảo vệ thực vật hay không. Điều quan trọng cần lưu ý là phương pháp này là loại bỏ các gen tự nhiên trong khoai tây và không có gen ngoại lai nào được đưa vào.
Bởi vì bọ khoai tây Colorado được biết đến với khả năng vượt qua nhanh chóng ngay cả những loại thuốc trừ sâu độc hại nhất, Douches khuyến cáo rằng tính kháng của cây ký chủ này nên được thực hiện trong một kế hoạch IPM để kéo dài tuổi thọ của công cụ có giá trị này.
- Dave Douches, Ph.D., là giáo sư tại Khoa Thực vật, Đất và Vi sinh vật của Đại học Bang Michigan. Ông đã lãnh đạo chương trình lai tạo và di truyền khoai tây của MSU trong hơn 30 năm. Natalie Kaiser là một Tiến sĩ. ứng cử viên tại Khoa Thực vật, Đất và Khoa học Vi sinh vật của MSU nghiên cứu về nhân giống và di truyền khoai tây.
