Cơ chế thúc đẩy năng suất lúa bằng cách khắc phục sự đánh đổi tính trạng số bông lúa và kích thước bông. Nguồn: IGDB.

Việc chọn giống cây trồng bị hạn chế phần lớn bởi sự đánh đổi giữa các đặc điểm nông học khác nhau. Vì nhiều sự đánh đổi trong số này là do hiện tượng đa hiệu của gen, nên việc giảm độ đa hiệu của gen có thể giúp khắc phục những đánh đổi này trong chọn giống cây trồng. Tuy nhiên, một số chiến lược hiệu quả vẫn chưa được phát triển.

Trong một nghiên cứu gần đây được công bố trên Tạp chí Nature Biotechnology, các nhà nghiên cứu từ nhóm của Li Jiayang tại Viện Di truyền và Sinh học Phát triển thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc đã sử dụng tính năng xóa gạch để chỉnh sửa vùng điều hòa cis của gen IPA1(Ideal Plant Architecture 1). Bằng cách đó, họ đã khắc phục được sự đánh đổi trong các đặc điểm cấu thành năng suất lúa, đưa ra một chiến lược hiệu quả để khắc phục điểm nghẽn về năng suất lúa.

IPA1, được xác định bởi nhóm của Li, là một yếu tố điều chỉnh chi phối cấu trúc thực vật ở lúa. Nó mã hóa một yếu tố phiên mã dành riêng cho thực vật, điều hòa các khía cạnh khác nhau của sự sinh trưởng và phát triển của cây lúa, đồng thời đóng một vai trò quan trọng trong khả năng kháng bệnh và thích ứng với môi trường.

Các alen khuếch đại chức năng của IPA1 dẫn đến ít đẻ nhánh kém năng suất, nhiều hạt trên bông hơn, thân cây khỏe hơn, rễ khỏe và do đó năng suất hạt tăng lên. Kết quả là chúng đã được sử dụng rộng rãi trong canh tác lúa. Tuy nhiên, IPA1 là một gen đa hiệu điển hình làm tăng số hạt trên bông nhưng làm giảm đẻ nhánh.

Để khắc phục sự đánh đổi giữa kích thước bông và số lượng nhánh, các nhà nghiên cứu đã sửa đổi vùng điều hòa cis của IPA1 để điều chỉnh mức độ biểu hiện của nó ở bông non, gốc thân và các mô khác, nhằm điều chỉnh cụ thể các tính trạng khác nhau. Tuy nhiên, do những hạn chế của các phương pháp kỹ thuật trước đây, chức năng của vùng điều tiết cây trồng phần lớn vẫn chưa được biết đến.

Sau đó, họ thực hiện sàng lọc CRISPR/Cas9 dựa trên khả năng xóa cho vùng điều chỉnh cis mong muốn của IPA1. Từ thư viện chỉnh sửa bộ gen, các nhà nghiên cứu đã xác định được IPA1-Pro10, một dòng chứa khả năng xóa vùng điều hòa cis 54-bp có thể đồng thời làm tăng số nhánh và số hạt trên bông.

IPA1-Pro10 cho thấy bông lúa nở to, tăng đẻ nhánh và chiều cao cây, thân và rễ dày hơn, năng suất lúa tăng 15,9%.

Hơn nữa, các nhà khoa học đã nghiên cứu thêm về cơ chế phân tử của nguyên tố cis IPA1 để điều chỉnh các tính trạng trên bông và phát hiện ra rằng An-1, một yếu tố phiên mã quan trọng để thuần hóa, có thể liên kết với mô típ GCGCGTGT trong vùng điều hòa cis 54 bp và đặc biệt điều chỉnh sự biểu hiện của IPA1 ở bông non, từ đó quy định cụ thể các tính trạng của bông.

Nghiên cứu này cung cấp một phương pháp khả thi để khắc phục sự đánh đổi giữa các tính trạng nông học. Nó cũng cung cấp các nguồn gen mới để khắc phục các điểm nghẽn về năng suất lúa. Vì những lý do này, nghiên cứu đã thể hiện sự tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực này.

Trong tương lai, việc làm sáng tỏ một cách có hệ thống các vùng điều hòa cis của các gen cốt lõi sẽ cung cấp các cơ chế phân tử và nguồn gen mới để khắc phục các nút thắt trong chọn giống cây trồng.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org