Nghiên cứu này có thể cho phép các nhà nông nghiệp tối ưu hóa năng suất và khám phá khả năng tồn tại của 'trái cây nguyên thủy'.

Với sự gia tăng nhiệt độ toàn cầu và quần thể sinh vật thụ phấn đang giảm dần, việc sản xuất lương thực ngày càng trở nên khó khăn đối với những người trồng trọt trên thế giới.

Một nghiên cứu mới từ các nhà nghiên cứu tại Khoa Sinh học Tế bào và Di truyền Phân tử của Đại học Maryland đề cập đến vấn đề này, đưa đến cái nhìn sâu sắc về cách thức thực vật có hoa phát triển quả và hạt.

Zhongchi Liu, tác giả thâm niên về nghiên cứu và là giáo sư sinh học tế bào và di truyền phân tử tại UMD cho biết: “Việc hiểu rõ quá trình này là đặc biệt quan trọng vì các loại cây lương thực phổ biến, chẳng hạn như đậu phộng, ngô, gạo và dâu tây, đây đều là trái cây và hạt chuyển hóa từ hoa. Biết cách thực vật ‘quyết định’ biến một phần hoa của chúng thành quả và hạt là rất quan trọng đối với nông nghiệp và nguồn cung cấp thực phẩm của chúng ta”.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia, đã được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 9 tháng 7 năm 2022.

Trong nghiên cứu, Liu và nhóm của cô muốn khám phá cách thụ tinh hoặc thụ phấn, như kích hoạt cây ra hoa bắt đầu quá trình phát triển quả. Nhóm nghiên cứu đã giả định một hệ thống liên lạc nội bộ chịu trách nhiệm phát tín hiệu cho cây phát triển trái cây, nhưng các nhà nghiên cứu không chắc chắn rằng hệ thống đó đang được kích hoạt như thế nào bằng cách thụ tinh hoặc thụ phấn.

Để tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng cơ chế thụ phấn và phát triển quả bằng cách sử dụng cây dâu tây. Theo Liu, dâu tây đặc biệt thích hợp để làm mô hình thụ tinh do cấu trúc và vị trí hạt giống độc đáo của chúng.

Liu giải thích: “Là một loại trái cây “từ trong ra ngoài”, hạt dâu tây dễ thao tác và quan sát hơn nhiều so với hạt của các loại trái cây khác như cà chua. Điều này giúp chúng tôi dễ dàng xem hạt giống và trích xuất thông tin di truyền từ chúng ở nhiều giai đoạn phát triển của cây”.

Liu và nhóm của cô đã xác định AGL62, một gen được tìm thấy phổ biến ở tất cả các loài thực vật có hoa, là yếu tố kích hoạt sản xuất quả và hạt của cây.

Theo Liu, AGL62 kích thích sản xuất một loại hormone tăng trưởng thực vật thiết yếu được gọi là auxin. Khi gen được kích hoạt, auxin được tổng hợp để thúc đẩy việc tạo ra lớp vỏ hạt (lớp bảo vệ bên ngoài của hạt), nội nhũ (phần của hạt cung cấp thức ăn cho phôi cây đang phát triển) và quả. Vai trò của Auxin trong việc điều chỉnh sự phát triển nội nhũ đặc biệt có ý nghĩa đối với các nhà nghiên cứu vì nó ảnh hưởng đến kích thước của hạt và sự phát triển của quả.

Dâu tây là mô hình phù hợp cho nghiên cứu thụ phấn vì hạt của chúng được nằm trên bề mặt quả, cho phép các nhà nghiên cứu quan sát chúng dễ dàng hơn. Nguồn: Zhongchi Liu.

Liu cho biết: “Mức auxin có thể hạn chế mức độ phát triển của nội nhũ và lượng dinh dưỡng mà nội nhũ có thể tích lũy cho phôi thực vật. Nhiều auxin hơn có thể tăng kích thước hạt và kích thích quả to ra. Khi có ít auxin hơn, nội nhũ không thể nuôi phôi cây một cách thích hợp và chúng sẽ làm giảm năng suất cây trồng, những quả nhỏ hơn hoặc bị biến dạng không thể sử dụng được về mặt thương mại ”.

Lei Guo, tác giả đầu tiên Sử dụng CRISPR, một kỹ thuật thao tác gen mới, đã phá vỡ thành công chức năng AGL62. Kết quả là cây dâu tây không thể phát triển quả và hạt, chứng tỏ vai trò quan trọng của AGL62 trong quá trình này.

Trong tự nhiên, quá trình thụ phấn thúc đẩy gen AGL62 kích hoạt sản xuất auxin, một quá trình cần thiết cho sự phát triển hạt và quả tối ưu. Nhưng bằng cách xác định mối quan hệ giữa gen và hormone này, Liu và nhóm của cô đã đặt nền tảng có thể cho phép các nhà nông nghiệp chuyển đổi AGL62 bằng cách sử dụng công nghệ sinh học, bỏ qua hoàn toàn quá trình thụ phấn, hay nói cách khác, tạo ra các loại trái cây 'nguyên thủy'.

Liu tin rằng những phát hiện này đặc biệt quan trọng vào thời điểm hiện tượng ấm lên toàn cầu đang ảnh hưởng đến sản xuất lương thực trên toàn thế giới.

Liu nói: “Nhiệt độ quá khắc nghiệt giết chết cả các loài thụ phấn và phấn hoa, vì vậy biến đổi khí hậu là một thách thức lớn mà chúng tôi phải vượt qua. Tìm hiểu thêm về gen AGL62 đã cho chúng tôi cái nhìn sâu sắc mới về cách có khả năng tăng năng suất của cây nông nghiệp, đặc biệt là những loại tạo nên nguồn cung cấp lương thực của chúng ta”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Đại học Maryland.