Hồi sinh loài hạt dẻ Mỹ "gần như tuyệt chủng" từ cõi chết.

Tác giả dangkhoa 25/02/2026 23 phút đọc

Hồi sinh loài hạt dẻ Mỹ "gần như tuyệt chủng" từ cõi chết.

Bị xóa sổ khỏi phạm vi sinh sống bản địa bởi các mầm bệnh xâm lấn, loài cây này có thể sẽ hồi phục trở lại.

Cây dẻ Mỹ vào mùa thu. Nguồn ảnh: Teresa Lett

Rất ít người còn sống ngày nay từng được chứng kiến những khu rừng Appalachian như chúng tồn tại cách đây một thế kỷ. Ngay cả khi các công viên tiểu bang và quốc gia bảo tồn ngày càng nhiều hệ sinh thái, các mầm bệnh nấm từ châu Á đã gần như xóa sổ một trong những loài cây chủ yếu của những khu rừng này, cây dẻ Mỹ, giết chết ước tính 3 tỷ cây. Trong khi những cây non tiếp tục mọc lên từ gốc của những cây đã chết, nấm vẫn tồn tại, giết chết chúng trước khi chúng có thể gieo mầm cho thế hệ mới.

Nhưng một phần nhờ vào những cây được trồng ở những khu vực mà hai loại nấm này không phát triển tốt, cây dẻ Mỹ vẫn chưa bị tuyệt chủng. Và những nỗ lực để phục hồi loài cây này trong phạm vi sinh sống tự nhiên của nó vẫn tiếp tục, bất chấp thời gian sinh trưởng dài cần thiết để lai tạo ra những cây kháng bệnh. Trong số báo Science ra ngày thứ Năm, các nhà nghiên cứu mô tả những nỗ lực của họ trong việc áp dụng các kỹ thuật gen hiện đại và thử nghiệm kỹ lưỡng để xác định con đường tốt nhất nhằm khôi phục cây dẻ về phạm vi sinh sống tự nhiên của nó.

Nhiều con đường dẫn đến sự phục hồi

Mặc dù cây dẻ Mỹ về mặt chức năng đã tuyệt chủng—nó không còn là một thành phần trong hệ sinh thái mà nó từng thống trị—nhưng chắc chắn là nó chưa tuyệt chủng hoàn toàn. Hai loại nấm châu Á đã giết chết nó trong phạm vi phân bố tự nhiên; một loại gây bệnh cháy lá dẻ, trong khi một tác nhân gây bệnh ít phổ biến hơn gây ra bệnh thối rễ. Cả hai đều ưa thích môi trường ấm áp, ẩm ướt và tồn tại ở đó vì chúng có thể phát triển không triệu chứng trên các cây có họ hàng xa, chẳng hạn như cây sồi. Tuy nhiên, những cây dẻ được trồng bên ngoài phạm vi phân bố ban đầu của loài này—chủ yếu ở các khu vực khô hạn hơn của miền tây Bắc Mỹ—vẫn tiếp tục phát triển mạnh.

Ngoài ra còn có một loại virus tấn công nấm gây bệnh bạc lá hạt dẻ, cho phép một số cây sống sót ở những khu vực mà loại virus đó phổ biến. Cuối cùng, một số ít cây đã phát triển đến độ trưởng thành trong phạm vi phân bố ban đầu của cây hạt dẻ Mỹ. Những cây này, mà bài báo gọi là LSAC (những cây hạt dẻ Mỹ lớn còn sống sót), cho thấy có thể đã từng có một mức độ kháng bệnh tự nhiên thấp trong quần thể hiện đã biến mất này.

Những cây đó đóng vai trò trung tâm trong một trong những nỗ lực khôi phục loài dẻ Mỹ. Nếu đủ số lượng cây có khả năng kháng nấm riêng biệt, việc lai tạo chúng có thể tạo ra một giống cây không chỉ sống sót được trước nấm mà còn phát triển mạnh ở vùng Appalachia.

Một phương pháp tương tự đã tận dụng thực tế rằng cây dẻ Mỹ có thể tạo ra các giống lai hữu thụ với cây dẻ Trung Quốc, vốn đã cùng tiến hóa với các loại nấm du nhập và do đó có khả năng kháng lại các bệnh nhiễm trùng gây chết người. Hy vọng là việc tiếp tục lai tạo ngược các giống lai này với cây dẻ Mỹ sẽ tạo ra những cây rất giống với cây dẻ Mỹ nhưng vẫn giữ được khả năng kháng nấm của họ hàng châu Á của chúng.

Cả hai nỗ lực đều gặp phải vấn đề tương tự mà bất kỳ nhà sinh vật học nào nghiên cứu về cây cối cũng đều gặp phải: Chúng phát triển chậm và có thể mất nhiều năm để đạt đến kích thước đủ lớn để tạo hạt. Tình hình càng trở nên phức tạp hơn bởi thực tế là cây dẻ Mỹ không thể tự thụ phấn, vì vậy cần ít nhất hai cây trước khi có thể tiến hành lai tạo.

Lo ngại về những ảnh hưởng tiềm tàng đối với việc tái du nhập cây dẻ vào vùng Appalachia, dự án thứ ba đã chuyển sang ứng dụng công nghệ sinh học. Nghiên cứu đã xác định axit oxalic là yếu tố chính gây ra bệnh. Lúa mì tự nhiên sản sinh ra một loại enzyme phân giải axit oxalic, và các nhà nghiên cứu đã cấy gen mã hóa enzyme này vào bộ gen của cây dẻ Mỹ, tạo ra một cây biến đổi gen có khả năng vô hiệu hóa sự tấn công của nấm.

Nếu không hiểu rõ bản chất của khả năng kháng bệnh hoặc hiệu quả của gen chuyển đổi, không thể biết phương pháp nào sẽ hiệu quả nhất. Vì vậy, các nhà nghiên cứu từ Tổ chức Cây dẻ Mỹ đã tập hợp một nhóm hợp tác quy mô lớn để xem xét tất cả các lựa chọn này và xác định những gì cần thiết để tái đưa giống cây dẻ kháng bệnh vào tự nhiên.

Theo dõi điện trở

Quy mô của nỗ lực này là vô cùng lớn. Tổng cộng, nhóm nghiên cứu đã lây nhiễm nấm gây bệnh cho hơn 4.000 cây riêng lẻ và theo dõi sự phát triển của chúng trong các vườn ươm ở vùng Appalachia trong trung bình hơn 14 năm. Khả năng kháng bệnh của cây được đánh giá theo thang điểm từ 0 đến 100 dựa trên mức độ thiệt hại do nhiễm bệnh gây ra. Dữ liệu này được kết hợp với một số nghiên cứu trong phòng thí nghiệm nghiêm túc; nhóm nghiên cứu đã tạo ra bộ gen cây dẻ chất lượng cao nhất từ trước đến nay (cả loài dẻ Mỹ và dẻ Trung Quốc) và thu thập dữ liệu sinh hóa về cách cây phản ứng với sự nhiễm bệnh.

Người ta nhanh chóng nhận thấy có sự khác biệt đáng kể về tốc độ sinh trưởng của một số cây kháng bệnh. Khi được trồng ở những nơi virus kiểm soát được bệnh bạc lá, cây dẻ Trung Quốc phát triển chậm hơn so với cây bản địa, trong khi các giống lai phát triển với tốc độ trung bình. Điều đó có thể tạo ra sự khác biệt lớn, vì tốc độ sinh trưởng nhanh có thể đã giúp cây dẻ đạt được vị thế thống trị tán rừng như trước đây.

Điều khá bất ngờ là, tốc độ tăng trưởng chậm này cũng trở thành vấn đề đối với cây dẻ Mỹ biến đổi gen. Tình cờ, gen lúa mì được cấy ghép vào một gen được biết là quan trọng đối với sự phát triển của các loài thực vật khác. Có vẻ như gen này cũng quan trọng đối với cây dẻ; những cây có hai bản sao của gen được cấy ghép chỉ sống sót với tốc độ bằng 16% so với dự kiến, và những cây chỉ có một bản sao phát triển chậm hơn 22% so với cây không biến đổi gen.

Tuy nhiên, vẫn có sự khác biệt đáng kể giữa các cây biến đổi gen, với 4% số cây được thử nghiệm cho thấy cả khả năng kháng bệnh cao và tốc độ sinh trưởng tương đương với cây dẻ Mỹ không biến đổi gen. Điều quan trọng là phải xác định xem tập hợp các đặc điểm này có được duy trì ổn định trong các thế hệ tiếp theo hay không.

Tin tốt là, cây con từ những cây dẻ Mỹ sống sót vẫn phát triển tốt như cây dẻ Mỹ. Tin không mấy vui vẻ là, trong số 143 cây này, chỉ có bảy cây có mức độ kháng bệnh trên 50 trên thang điểm 100 của nhóm nghiên cứu. Có thể việc lai tạo giữa các cây này sẽ giúp tăng cường khả năng kháng bệnh hơn nữa, nhưng điều đó cũng tiềm ẩn nguy cơ tạo ra một quần thể quá cận huyết, khó phát triển mạnh sau khi được tái thả.

Nguyên nhân gốc rễ

Nhóm nghiên cứu quyết định sử dụng phương pháp thử nghiệm của họ để điều tra cơ sở di truyền của tính kháng bệnh. Có một lý do rất thực tế cho điều này: Nếu tính kháng bệnh được quyết định bởi chỉ một số ít gen, mỗi gen đều có tác động lớn, thì có thể tiếp tục lai tạo các giống kháng bệnh trở lại với giống hạt dẻ Mỹ thông thường và chọn lọc các giống kháng bệnh. Nhưng nếu có nhiều yếu tố với tác động tương đối nhỏ, thì sẽ cần phải lai tạo có định hướng giữa các giống lai để tối đa hóa cả tính kháng bệnh và DNA có nguồn gốc từ hạt dẻ Mỹ.

Nhóm nghiên cứu đã hoàn thành việc giải mã bộ gen hạt dẻ chất lượng cao nhất cho cả hai loài hạt dẻ Mỹ và Trung Quốc, xác định được khoảng 25.000 đến 30.000 gen trong các bộ gen khác nhau. Sau đó, họ sử dụng thông tin này cho hai loại phân tích di truyền: xác định vị trí gen quy định tính trạng định lượng và phân tích liên kết toàn bộ bộ gen. Cả hai phương pháp đều nhằm mục đích xác định các vùng trong bộ gen liên quan đến các đặc tính cụ thể và ước tính tác động của chúng.

Nghiên cứu cho thấy khả năng kháng bệnh xuất phát từ một số lượng tương đối lớn các vị trí gen, mỗi vị trí có tác động tương đối nhỏ. Ví dụ, các vị trí trong bộ gen được xác định bằng phân tích đặc điểm định lượng thường làm tăng khả năng kháng bệnh khoảng 10 điểm trên thang điểm 100 của các nhà nghiên cứu. Trong phân tích toàn bộ bộ gen, 17 khác biệt di truyền riêng lẻ có liên quan đến khoảng một phần tư các đặc điểm kháng bệnh di truyền. Tất cả những điều này cho thấy rằng, đối với các giống lai (và có thể cả khả năng kháng bệnh yếu hơn được tìm thấy ở những cây dẻ Mỹ còn sống sót), cần phải tiến hành chọn giống có định hướng giữa các cây còn sống.

Ngược lại, đối với nấm gây thối rễ, dường như chỉ có một số lượng hạn chế các alen quan trọng có tác động lớn.

Các nhà nghiên cứu cũng đã áp dụng một phương pháp khác để xác định các yếu tố kháng bệnh, bằng cách so sánh 100 chất hóa học được sản sinh bởi các chủng kháng và nhạy cảm. Trong số 41 chất hóa học được phát hiện ở nồng độ cao hơn trong cây dẻ Trung Quốc, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một chất chuyển hóa, lupeol, có khả năng ức chế hoàn toàn sự phát triển của mầm bệnh nấm. Một chất khác, erythrodiol, cũng hạn chế sự phát triển của nó. Nếu chúng ta có thể xác định được các gen liên quan đến việc sản sinh ra những chất hóa học đó, chúng ta có thể sử dụng kiến thức đó để định hướng các chương trình lai tạo có mục tiêu—hoặc thậm chí tiến hành chỉnh sửa gen để tăng sản lượng của chúng.

Kế hoạch hiện tại của nhóm nghiên cứu là sử dụng dự đoán gen để chọn lọc cây con lai để trồng trong các vườn thử nghiệm, nhằm xác định những cây có tốc độ sinh trưởng cao và khả năng kháng bệnh tốt. Từ đó, quy trình có thể được lặp lại. Nhưng ngay cả sau khi đã nghiên cứu kỹ lưỡng các đặc điểm kháng bệnh, các nhà nghiên cứu dường như tin rằng cả ba phương pháp—chọn lọc cây dẻ Mỹ kháng bệnh, lai tạo giống từ dẻ Trung Quốc và biến đổi gen có định hướng—đều có thể giúp phục hồi giống dẻ Mỹ.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cảnh báo rằng, khi các biến động môi trường và các loài xâm lấn tiếp tục đẩy một số loài chủ chốt đến bờ vực tuyệt chủng, chúng ta cần phải làm tốt hơn nữa trong các hoạt động cứu hộ loài kiểu này.