Các nhà khoa học phát hiện cơ chế phân tử liên kết phương pháp tưới tiết kiệm nước với sự tích tụ cadmium trong lúa

Mô hình hoạt động được đề xuất minh họa cách tín hiệu ABA liên kết trạng thái nước với sự tích lũy Cd thông qua mô-đun OsSAPK2-OsNAC4-OsNRAMP1 ở lúa ( Nguồn: Nhóm nghiên cứu của Shen Renfang)

Các biện pháp tưới tiết kiệm nước, bao gồm tưới ngập khô xen kẻ, đóng vai trò thiết yếu đối với canh tác lúa bền vững trong bối cảnh tình trạng khan hiếm nước ngọt ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, việc tháo nước định kỳ tạo ra điều kiện đất hiếu khí, làm tăng mạnh khả năng hấp thụ cadmium (Cd) của cây lúa, dẫn đến tình trạng tích tụ Cd ở mức cao trong hạt. Việc làm sáng tỏ mối liên hệ giữa bảo tồn nguồn nước và hàm lượng Cd cao trong hạt lúa là một thách thức lớn đối với các nhà chọn tạo giống lúa và các nhà khoa học đất trên toàn thế giới.

Mới đây, một nhóm nghiên cứu do các giáo sư Shen Renfang và Zhu Xiaofang thuộc Viện Khoa học Đất (Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc) dẫn đầu đã xác định được một chuỗi tín hiệu phân tử được bảo tồn giúp giải thích hiện tượng này. Nghiên cứu được công bố trực tuyến trên tạp chí Current Biology vào ngày 8 tháng 7 cho thấy hạn hán và tín hiệu axit abscisic (ABA) chủ động kích hoạt quá trình hấp thụ Cadimi (Cd) quá mức ở cây lúa trong các chế độ canh tác tiết kiệm nước.

Thông qua việc sàng lọc các thể đột biến bằng công nghệ CRISPR-Cas9, các phân tích sinh hóa và thử nghiệm đồng ruộng tại nhiều địa điểm, các nhà nghiên cứu đã xác định yếu tố phiên mã OsNAC4 là nhân tố điều hòa then chốt đối với sự tích lũy cadmium (Cd) trong hạt lúa. Các đánh giá kiểu hình trên nhiều nền tảng di truyền khác nhau đã xác nhận rằng việc bất hoạt chức năng của OsNAC4 giúp giảm nồng độ Cd trong hạt từ 30% đến 50% trong điều kiện tưới nước gián đoạn, mà không gây ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất hạt hay các đặc tính nông học quan trọng. Các nhà nghiên cứu cũng xác định con đường điều hòa OsSAPK2–OsNAC4–OsNRAMP1 là cơ chế mà qua đó OsNAC4 kiểm soát sự tích lũy Cd trong hạt. Trong điều kiện đất thoáng khí hoặc khô hạn, tín hiệu ABA nội sinh được kích hoạt sẽ thúc đẩy hoạt động của kinase OsSAPK2 (thuộc nhóm SnRK2); kinase này sau đó tương tác trực tiếp và thực hiện phosphoryl hóa OsNAC4 tại bốn gốc serine được bảo tồn. Quá trình này giúp ổn định OsNAC4 và tăng cường ái lực liên kết DNA của nó, từ đó làm tăng mức độ biểu hiện của gen OsNRAMP1. Protein OsNRAMP1 là một chất vận chuyển quan trọng tại màng sinh chất, đóng vai trò trung gian trong quá trình rễ cây hấp thụ Cd. Con đường này chính là cơ sở phân tử giải thích cho hiện tượng gia tăng hàm lượng Cd trong hạt khi cây lúa chịu áp lực khô hạn trong các mô hình tưới tiết kiệm nước.

Điều quan trọng là các cây lúa thiếu hụt OsNAC4 vẫn duy trì được quá trình vận chuyển cơ bản các kim loại thiết yếu như mangan và sắt – vốn cần thiết cho sự phát triển bình thường – ngay cả khi sự hấp thụ dư thừa cadmium (Cd) do tác động của stress bị ức chế. Ngược lại, những cây lúa mang đột biến trực tiếp ở các gen mã hóa protein vận chuyển thuộc họ OsNRAMP thường gặp tình trạng rối loạn cân bằng nội môi dinh dưỡng và các khiếm khuyết nghiêm trọng về sinh trưởng.

"Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh rằng việc hàm lượng Cd trong hạt tăng cao khi rút nước không chỉ đơn thuần là hệ quả thụ động của sự thay đổi trạng thái oxy hóa-khử trong đất, thay vào đó, cây lúa chủ động tăng cường hấp thụ Cd thông qua các chuỗi tín hiệu ABA nội sinh để phản ứng lại với môi trường hiếu khí", Zhu, một trong những tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Thông qua việc làm rõ cơ chế hoạt động của con đường tín hiệu OsSAPK2–OsNAC4–OsNRAMP1, nghiên cứu này cung cấp một khung lý thuyết chính xác để tách biệt tín hiệu ứng phó với stress nước khỏi quá trình tích lũy kim loại nặng, từ đó mở ra hướng chọn tạo hiệu quả các giống lúa có khả năng thích ứng với biến đổi khí hậu, tích lũy ít Cd và phù hợp với canh tác trong điều kiện khan hiếm nước.

Lê Thị Kim Loan theo Phys.org