Các nhà chọn tạo giống lúa khám phá công nghệ chỉnh sửa gen để làm tăng khả năng chịu nóng của lúa vào ban đêm

Vibha Srivastava, Giáo sư công nghệ sinh học cây trồng tại Khoa Khoa học Cây trồng, Đất và Môi trường thuộc Bộ môn Hệ thống Nông nghiệp của Đại học Arkansas. Nguồn: Paden Johnson, Bộ môn Hệ thống Nông nghiệp, Đại học Arkansas.

Cây lúa có thể chịu được nóng vào ban ngày, nhưng khi mặt trời lặn, chúng cần mát.

Việc phát triển giống lúa có khả năng chịu được nhiệt độ cao vào ban đêm đã trở thành quan trọng đối với các nhà chọn tạo giống lúa vì các nghiên cứu cho thấy rằng ban đêm đang ấm hơn ở các vùng trồng nhiều lúa nhất.

Thêm nữa, lượng lúa được trồng ở Hoa Kỳ có nguồn gốc từ Arkansas, chủ yếu từ vùng Đồng bằng. Theo Cơ quan Dịch vụ Nghiên cứu Kinh tế của USDA, Arkansas là nơi có diện tích khoảng 1,4 triệu mẫu Anh trồng lúa đóng vai trò như là lương thực chính cho hơn phân nửa dân số thế giới.

“Những người chọn tạo giống lúa đã cố gắng đưa các gen chống chịu vào giống lúa gốc Arkansas, đây không phải là công việc dễ dàng”, Vibha Srivastava, Giáo sư Công nghệ sinh học cây trồng tại Khoa Khoa học Cây trồng, Đất và Môi trường thuộc Bộ môn Hệ thống Nông nghiệp của Khoa Nông nghiệp của Đại học Arkansas cho biết. “Họ mới chỉ bắt đầu khai thác bề nổi trong lĩnh vực đó, nhưng họ đang đạt được những tiến triển tốt. Một số kết quả cập nhật đầy hứa hẹn đã có ở đó”.

Tuy nhiên, Srivastava cho biết có thể có một cách khác để tiến lên phía trước - chỉnh sửa gen, khác với biến đổi gen vì nó không chèn trình tự DNA từ các sinh vật khác, bà giải thích.

Srivastava khám phá chủ đề lai tạo giống lúa và tiềm năng của chỉnh sửa gen để chịu nóng vào ban đêm trên tạp chí Current Opinion in Plant Biology với bài báo có tiêu đề “Đánh bại cái nóng: Chọn tạo giống, hệ gen và chỉnh sửa gen cho cây lúa có khả năng chịu nhiệt độ ban đêm cao”.

Vibha Srivastava, Giáo sư về công nghệ sinh học thực vật tại Khoa Khoa học Cây trồng, Đất và Môi trường, đang giữ trên tay lúa hoang, bên trái, và giống đang được phát triển để chịu được nhiệt độ ban đêm cao hơn. Nguồn: Paden Johnson, Bộ môn Hệ thống Nông nghiệp, Đại học Arkansas.

Các đồng tác giả của bài báo là Christian De Guzman, phó giáo sư di truyền và chọn  tạo giống lúa và Samual B. Fernandes, phó giáo sư về thống kê nông nghiệp và di truyền số lượng, cả hai đều là nhà nghiên cứu tại Trạm Thí nghiệm Nông nghiệp Arkansas, Bộ môn Hệ thống Nông nghiệp của Đại học Arkansas.

Theo hiểu biết của họ, đây là bài báo đầu tiên đánh giá về khả năng chịu nóng vào ban đêm của lúa, thu thập tất cả các tài liệu nghiên cứu khoa học có sẵn về chủ đề này vào một bài nghiên cứu.

Srivastava cho biết cũng đã có thông tin về chủ đề này được công bố trong B.R. Wells Rice Research Series với các nghiên cứu do Paul Counce, giáo sư về sinh lý cây lúa tại Trung tâm Khuyến nông và Nghiên cứu Lúa, dẫn đầu về việc đánh giá các phản ứng của cây lúa với nhiệt độ nóng vào ban đêm, mức độ ảnh hưởng hoặc khả năng chịu đựng.

Tại sao lúa chịu được nhiệt độ ban đêm

Khi lúa đang trong giai đoạn ra hoa và làm đầy hạt, lúa nhạy cảm hơn với nhiệt độ ban đêm cao so với nhiệt độ ban ngày cao. Nhiệt độ trồng lúa tối ưu thay đổi trên toàn cầu, nhưng các tác giả chỉ ra rằng hầu hết các giống lúa đều nhạy cảm với nhiệt độ ban đêm trên 28 độ C hoặc 82,4 độ F.

Nhiệt độ cao hơn dẫn đến mất năng suất và chất lượng hạt giảm, biểu hiện là “bạc bụng”, một đặc điểm không mong muốn ảnh hưởng đến chất lượng xay xát, chất lượng nấu và độ ngon.

Dựa trên các nghiên cứu gần đây, các tác giả lưu ý rằng kết quả của căng thẳng nóng ban đêm có thể dẫn đến mất tới 90% năng suất hạt và làm tăng đáng kể tình trạng bạc bụng.

Srivastava cho biết cơ chế di truyền của mức độ nhạy cảm với căng thẳng nóng vào ban đêm vẫn chưa rõ ràng, nhưng họ biết rằng tỷ lệ hô hấp tăng trong điều kiện nhiệt độ ban đêm cao sẽ chuyển năng lượng từ quá trình sinh trưởng sang quá trình hồi phục và ảnh hưởng đến quá trình tạo sinh khối.

Những thách thức phía trước

Mặc dù không có giống lúa hiện đại nào được lai tạo ở Hoa Kỳ có thể chịu được nhiệt độ cao vào ban đêm trong giai đoạn sinh thực, nhưng một giống lúa Ấn Độ có tên là Nagina 22 có khả năng chịu được nhiệt độ cao vào ban đêm. Tuy nhiên, khi được trồng trong điều kiện đồng ruộng ở Arkansas, nó thể hiện một số tính trạng không mong muốn như kích thước hạt nhỏ, bạc bụng và thân cây cao dễ ngã đổ.

Giống Nagina 22 đã được sử dụng lai tạo với các giống hiện đại để có khả năng chống chịu được nhiệt độ ban đêm cao, nhưng chưa sao chép được các gen này. Srivastava cho biết nếu không xác định được gen, việc áp dụng chỉnh sửa gen để cải thiện các tính trạng của các giống phổ biến là không thể. Trong khi đó, bà chỉ ra chỉnh sửa gen là một phương pháp khác để cải thiện các tính trạng mong muốn của giống Nagina 22 hoặc lai tạo với Nagina 22.

Một số dòng lai ưu tú trong Chương trình Chọn tạo giống lúa Arkansas có thể là các ứng cử viên dùng cho chỉnh sửa gen nếu chúng cho thấy các tính trạng cải tiến liên quan đến năng suất và độ bạc bụng của hạt sau khi chịu căng thẳng nhiệt độ ban đêm cao.

Tuy nhiên, cân nhắc quan trọng đối với giống Nagina 22 và các dòng có nguồn gốc từ nó là cải thiện độ bạc bụng tự nhiên của hạt. Bà lưu ý rằng việc nhân dòng và phân tích Chalk5, một vùng DNA bạc bụng chính ở lúa, mở ra một con đường để giảm độ bạc bụng bằng cách chỉnh sửa gen.

“Mục tiêu của chúng tôi là tăng sản lượng và hương vị đậm đà hơn khi nói đến gạo, nhưng chất lượng gạo là quan trọng”, Srivastava cho biết.

Nguyễn Tiến Hải theo Phys.org