Hình trên cùng: hoa (trái) và hạt (phải) của NOG và BTx623 được sử dụng trong nghiên cứu này. NOG và BTx623 lần lượt có hạt màu nâu và hạt màu trắng. Hình giữa: OPS (bởi Fenitrothion và Malathion), được quan sát trong NOG nhưng không phải trong BTx623. Hình dưới: OPS của cây trưởng thành bằng Fenitrothion, chỉ được quan sát bởi NOG chứ không phải các cây trồng khác. Nguồn: Đại học Okayama.

Cao lương, một loại ngũ cốc cổ xưa bị đánh giá thấp, đang dần được biết đến như một loại siêu thực phẩm do đặc tính giàu dinh dưỡng và không chứa gluten. Xi-rô cao lương được sử dụng rộng rãi như một chất thay thế lành mạnh cho mật đường trong ngành công nghiệp thực phẩm và loại ngũ cốc này cũng được sử dụng để làm bột mì không chứa gluten. Ngoài ra, cao lương thường được dùng làm thức ăn gia súc chất lượng cao đồng thời là nguồn nhiên liệu sinh học và hóa chất tái tạo hiệu quả. Cải thiện việc trồng cao lương là điều cần thiết để tiếp tục thu được lợi ích của loại ngũ cốc này và để tận dụng lợi thế kinh tế của nó. Tuy nhiên, cao lương giống như các loại cây trồng khác có một số đặc điểm không mong muốn làm giảm năng suất của nó. Một trong những đặc điểm như vậy là nhạy cảm với organophosphat, loại thuốc trừ sâu thông dụng. Ở cây cao lương, các organophosphates gây ra hiện tượng lá hóa nâu, chết tế bào và héo.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Okayama, Nhật Bản, đã nghiên cứu cơ chế tế bào gây ra sự nhạy cảm với organophosphate (OPS) ở cây cao lương. Trong nghiên cứu gần đây được công bố trên tạp chí Scientific Reports, họ tiết lộ rằng các gen mã hóa protein NB-LRR chịu trách nhiệm về OPS ở cây cao lương. Hơn nữa, họ phát hiện ra cơ chế gây ra những tổn thương do organophosphate gây ra ở cao lương tương tự như cơ chế mà cây trồng bị tổn thương trong quá trình nhiễm mầm bệnh.

Giải thích về động lực đằng sau nghiên cứu này, giáo sư Wataru Sakamoto - người đã nghiên cứu các gen kiểm soát độ xanh của lá trong hơn 10 năm và là người dẫn đầu nghiên cứu này - cho biết: “Cao lương có nhiều lợi ích. Nó cũng thú vị từ quan điểm nghiên cứu vì khả năng chống chịu hạn hán và môi trường khắc nghiệt cao, kích thước bộ gen nhỏ và tính chất di truyền tương đồng với cây lúa”.

Ông cho biết thêm: “Nếu một gen gây ra đặc điểm không mong muốn ở thực vật, thì việc loại bỏ hoặc bất hoạt gen có thể giúp loại bỏ đặc điểm tiêu cực này. Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi thấy rằng một loại cao lương Nhật Bản có tên là Takakibi có biểu hiện lá chuyển sang màu nâu sau khi xử lý thuốc trừ sâu. Vì vậy, chúng tôi bắt đầu tìm hiểu nguyên nhân di truyền của sự nhạy cảm với thuốc trừ sâu ở loài thực vật này”.

Để làm được điều này, đầu tiên các nhà nghiên cứu đã lai giống Takakibi nhạy cảm với organophosphate (hoặc NOG) với giống cao lương kháng organophosphate BTx623. Điều thú vị là họ nhận thấy rằng tất cả các thế hệ con cháu đều hiển thị OPS. Điều này ngụ ý rằng OPS là một đặc điểm "trội", có nghĩa là thực vật sẽ nhạy cảm với organophosphates ngay cả khi chúng có một bản sao của gen liên quan đến OPS.

Tiếp theo, để hiểu gen nào thực sự gây ra OPS ở cây cao lương, họ đã sử dụng một kỹ thuật gọi là "Lập bản đồ định lượng tính trạng" và kiểm tra các vị trí di truyền liên quan đến OPS trong giống NOG. Họ phát hiện ra rằng một vùng trên nhiễm sắc thể số 5, có liên quan đến OPS trong các nghiên cứu trước đây, có liên quan đến OPS trong NOG. Mở rộng phát hiện của mình, họ đã xác định được ba gen có trong vùng này. Hơn nữa, họ phát hiện ra những gen này có khả năng mã hóa một loại protein gọi là NB-LRR, có trên màng ngoài của tế bào thực vật và nhận biết các tác nhân bên ngoài, bao gồm cả mầm bệnh. Cuối cùng, họ kết luận rằng gen NLR-C - có chức năng trong NOG nhưng không có trong BTx623 - chịu trách nhiệm về OPS.

Công trình của giáo sư Sakamoto và nhóm của ông đã cung cấp sự hiểu biết nâng cao về các vai trò đa dạng của protein NB-LRR trong cây cao lương. Nhưng quan trọng hơn, nó đặt nền tảng cho những cải tiến rất cần thiết trong việc nhân giống cây cao lương. “Thuốc trừ sâu cũng giống như organophosphates rất hữu ích trong việc bảo vệ cây trồng khỏi côn trùng, nhưng chúng không nên gây hại cho bản thân cây trồng. Phát hiện của chúng tôi có thể giúp phát triển các giống cao lương có thể được trồng một cách an toàn khi xử lý với organophosphate, do đó cải thiện tuổi thọ của cây trồng này. Hơn nữa, đặc điểm OPS này không dành riêng cho cây cao lương nhưng cũng có thể được quan sát thấy ở các loại cây quan trọng khác, bao gồm cả cà chua. Do đó, phát hiện của chúng tôi có thể giúp phát triển nông nghiệp bền vững với việc sử dụng thuốc trừ sâu hợp lý”, GS. Sakamoto giải thích.

Viêc nghiên cứu sâu hơn là cần thiết để hiểu OPS khác nhau như thế nào giữa các giống cao lương khác nhau và các loại cây khác, công trình của nhóm giáo sư Sakamoto đại diện cho một bước tiến quan trọng không chỉ trong an ninh lương thực mà còn cả sinh khối và nhiên liệu sinh học.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org