Trái: cây lúa thông thường; Phải: sự thể hiện quá mức chất NRT1.1A với đặc tính bông có nhiều hạt hơn và chín sớm hơn. Nguồn: Chengcai Chu

Phân bón nitơ (sử dụng đưới dạng nitrate, NO₃^- hoặc ammonium, NH₄⁺) cải thiện số lượng hạt được sản xuất trên một hecta, nhưng việc chảy tràn và sự bốc hơi của nitơ làm ô nhiễm nước và không khí. Sản xuất phân bón nitơ cũng sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Các loại ngũ cốc chủ yếu như gạo và lúa mì chỉ sử dụng khoảng 40% lượng phân bón đưa vào - phần còn lại bị mất đi vào không khí, nước và vi sinh vật đất. Việc sử dụng phân bón hoá học sẽ làm chậm sự ra hoa, làm cho cây trồng dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết lạnh cuối mùa, có thể tạo ra hạt lép. Các đặc tính làm tăng lượng hạt và giúp cho vụ mùa chín sớm sẽ cải thiện năng suất và cũng quan trọng đối với cả hệ thống canh tác cũng như tăng phạm vi địa lý của lúa gạo trên các vùng cao hơn. Mặc dù những đặc điểm này sẽ có giá trị đối với cây ngũ cốc nhưng những nhà nhân giống cây trồng đã không thành công trong lĩnh vực này.

Các nghiên cứu gần đây trên cây trồng chủ lực, lúa (Oryza sativa), đã xác định được một chất vận chuyển nitrate (NRT) có thể cung cấp giải pháp cho vấn đề sử dụng nitơ hay ra hoa. Đối với thực vật, các NRT khác nhau chuyển nitơ từ đất vào rễ và vận chuyển các hợp chất nitơ cho toàn bộ cây trồng. Một số chất vận chuyển nitrate khác cũng cảm nhận mức nitơ và kích hoạt phản ứng. Một nghiên cứu của Wang và các cộng sự, xuất bản trong The Plant Cell, cho thấy chất vận chuyển OsNRT1AA trong cây lúa có thể ảnh hưởng đến cả việc sử dụng nitơ và thời gian ra hoa. Các dòng đột biến thiếu chất vận chuyển này cho thấy việc sử dụng nitrate và ammonium giảm. Các đột biến còn thể hiện cảm ứng thấp của các gen liên quan đến việc hấp thu và vận chuyển nitrate và amonia; điều này chỉ ra rằng OsNRT1.1A hoạt động vừa là chất vận chuyển vừa là một cảm biến của nitơ trong thực vật. Điều thú vị là, các dòng đột biến tạo ra 80% giống lúa có hạt ít hơn so với giống lúa thông thường và ra hoa muộn.

Để cải thiện năng suất và thời gian ra hoa, các tác giả đã tạo ra dòng lúa sản sinh thêm chất vận chuyển OsNRT1.1A. Các cây trồng sản xuất quá mức chất OsNRT1.1A làm cây tăng trưởng cao hơn, xanh hơn và sinh ra nhiều sinh khối hơn so với giống lúa thông thường được trồng cùng với lượng nitơ sử dụng. Những cây trồng này cũng đẩy nitrat và amoni ra khỏi môi trường trong các thí nghiệm thủy lực học. Trong các thử nghiệm thực địa dài hạn, cây trồng sản xuất quá mức chất OsNRT1.1A cho thấy sản lượng cải thiện trên 30% (và lên đến 60%) ở những cánh đồng có mức bón đạm cao và thấp. Hơn nữa, những cây này đã nở hoa sớm hơn một tuần so với cây lúa đối chứng.

Theo Chengcai Chu, trong khoảng 100 năm qua, việc sử dụng phân bón N là một trong những tác động hiệu quả nhất để cải thiện sản lượng cây trồng. Người ta ước tính rằng hơn 120 triệu tấn nitơ được sử dụng trên toàn thế giới như là phân bón hàng năm, phần lớn gây nên ô nhiễm nitơ Việc sử dụng N ở mức cao cũng gây ra những ảnh hưởng bất lợi cho cây trồng như ra hoa chậm và do đó kéo dài thời gian chín. Chất OsNRT1.1A có thể cung cấp một giải pháp cho mâu thuẫn giữa tăng dinh dưỡng N và thời gian chín sớm, hai đặc điểm thiết yếu cần cho sản xuất nông nghiệp.

Đáng ngạc nhiên là, sự khai thác quá mức chất NRT này từ một loài cỏ cũng giúp cải thiện sản lượng hạt giống và việc sử dụng nitơ đối với thực vật có lá rộng, ví dụ như mô hình thí điểm Arabidopsis. Những kết quả đầy hứa hẹn này được trình diễn trong phòng thí nghiệm và được chứng thực trong nhiều năm và nhiều địa điểm cho thấy thao tác biểu hiện của chất OsNRT1.1A có tiềm năng tăng năng suất và đẩy nhanh tốc độ ra hoa, hai đặc tính quan trọng nhất được tìm kiếm trong các nỗ lực nhân giống thực vật ở nhiều loài cây trồng.

Đỗ Thị Thanh Trúc theo Sciencedaily.