Điểm yếu di truyền mới đối với thuốc diệt cỏ được tìm thấy ở gần 50 dòng ngô ngọt và ngô đồng

Các nhà nghiên cứu từ Cơ quan Nghiên cứu Nông nghiệp USDA, Đại học Illinois và khu vực tư nhân thảo luận báo cáo công khai đầu tiên về độ nhạy cảm nghiêm trọng của chất ức chế, thuốc diệt cỏ tolpyralate ở ngô. Nguồn: Pavle Pavlovic.

Khi một nhà lai tạo ngô ngọt liên hệ vào năm 2021 để báo cáo sự cố nghiêm trọng do thuốc diệt cỏ tolpyralate, Marty Williams đã hy vọng đó là một con sán được phân lập ở một dòng thuần chủng. Nhưng hai năm sau, sau khi áp dụng phương pháp kiểm tra ngoài đồng, nhà kính và di truyền, Nghiên cứu Khoa học Quản lý Dịch hại mới của ông không chỉ xác nhận tính nhạy cảm với tolpyralate ở 49 dòng ngô ngọt và ngô đồng mà còn tiết lộ một điểm yếu di truyền mới có thể ảnh hưởng đến ngô nói chung.

Tolpyralate là một loại thuốc diệt cỏ ức chế HPPD tương đối mới được dán nhãn cho tất cả các loại ngô. Thông thường, ngô giải độc các chất ức chế HPPD trước khi chúng có thể gây ngộ độc thông qua sự biểu hiện của gen Nsf1. Các dòng ngô có alen nsf1 đột biến có thể biểu hiện độ nhạy cảm với các chất ức chế HPPD, nhưng trường hợp đó không xảy ra với tolpyralate trong các dòng mà Williams đã thử nghiệm. Thay vào đó, nghiên cứu của ông đã cho thấy độ nhạy tolypyralate hoàn toàn liên quan đến một gen khác, giải thích tại sao độ nhạy không được mong đợi cũng như không bị phát hiện trong quá trình nhân giống.

“Sự nhạy cảm chéo với nhiều loại thuốc diệt cỏ sau khi nảy mầm, tất cả đều liên quan đến các alen nsf1 đột biến, đã được hiểu rõ trong nhiều năm. Các nhà tạo giống thường sàng lọc bằng một sản phẩm như nicosulfuron, một chất ức chế ALS, bởi vì nó sẽ xác định (tức là tiêu diệt) bất kỳ dòng cận huyết nào không chịu được nhiều loại thuốc diệt cỏ, bao gồm hầu hết các chất ức chế HPPD”, Williams, một nhà sinh thái học thuộc Cơ quan Nghiên cứu Nông nghiệp của USDA và là phó giáo sư tại Khoa Khoa học Cây trồng, một phần của Trường Khoa học Nông nghiệp, Người tiêu dùng và Môi trường (ACES) tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, cho biết.

Dòng ngô ngọt ban đầu từ năm 2021 đã được sàng lọc bằng nicosulfuron, cho thấy không có sự cố nào và cho thấy gen Nsf1 đang thực hiện nhiệm vụ của nó. Kỳ vọng kết quả tương tự với tolpyralate là hợp lý vì chưa có ai báo cáo thiệt hại lớn về cây trồng do thuốc diệt cỏ mới. Vì vậy, khi sự cố do tolpyralate xuất hiện, nhà nhân giống đã rất bối rối.

Trường hợp bất thường này đã khiến nhóm của Williams bắt đầu tìm kiếm ngô trắng bị phai màu- dấu hiệu nhận biết về sự cố do chất ức chế HPPD - vòng quanh các nông trại ở Hoa Kỳ.

Họ không phải tìm kiếm lâu.

Đây đó, giữa những luống ngô xanh tươi, là những cây ngô còi cọc, trắng nõn. Nhóm đã liên hệ với các nhà nghiên cứu đang tiến hành thử nghiệm quanh các trang trại để tìm hiểu xem thứ gì đã được phun. Tolpyralate, mọi lúc.

Đối mặt với một hiện tượng ngày càng giống một con sán, nhóm của Williams đã bắt tay vào các thử nghiệm trên đồng ruộng và trong nhà kính để xác định mức độ nhạy cảm với tolpyralate phổ biến đến mức nào. Có thể dễ dàng tiếp cận bảng đa dạng ngô ngọt, họ chủ yếu tập trung vào nhóm đó. Nhưng họ cũng đã thử nghiệm một nhóm nhỏ các kiểu gen ngô trên đồng ruộng.

Từ quá trình sàng lọc khiêm tốn, nhóm nghiên cứu đã ghi nhận 49 giống ngô ngọt (43) và ngô đồng (6) bị sự cố từ trung bình đến nặng do tolpyralate. Điều quan trọng là nguồn gen tăng cường đường ở ngô ngọt, dòng bố mẹ của nhiều giống ngô ngọt lai, nằm trong số những kiểu gen nhạy cảm nhất, cho thấy độ nhạy có thể còn phổ biến hơn nữa.

Điều thú vị là, sự cố còn tồi tệ hơn nhiều khi bổ sung atrazine và chất bổ trợ thuốc diệt cỏ thường được áp dụng cùng với chất ức chế HPPD.

Williams cho biết: “Khi chúng tôi phun tolpyralate nguyên chất cho giống ngô ngọt nhạy cảm, cây trồng trông rất ổn. Nhưng khi chúng tôi bổ sung các chất bổ trợ được khuyến nghị trên nhãn thuốc diệt cỏ - dầu cây trồng hoặc dầu hạt methyl hóa - chúng tôi nhận được phản ứng phai màu nghiêm trọng. Và khi chúng tôi đưa vào cả atrazine, chất thường gặp trong các chất ức chế HPPD, thì tỷ lệ chết của thực vật rất nhanh”.

Williams đã làm rõ rằng việc loại bỏ các chất bổ trợ ra khỏi là không khả thi. Chúng cải thiện khả năng hấp thụ thuốc diệt cỏ của cỏ dại và rất cần thiết để kiểm soát cỏ dại thành công.

Williams nói: “Tolpyralate có lợi thế về mặt nông học, nhưng rõ ràng là nó sẽ có tác dụng hạn chế nếu gây hại cho cây trồng”.

Với bằng chứng ngày càng tăng cho thấy nsf1 không phải là nguyên nhân gây ra độ nhạy tolpyralate, nhóm nghiên cứu sau đó đã lập bản đồ bộ gen để tìm ra thủ phạm.

“Sử dụng dòng ngô ngọt nhạy cảm ban đầu để lập bản đồ tính trạng, chúng tôi đã thu hẹp nó xuống vùng trên nhiễm sắc thể số 5 gần Nsf1. Nhưng đó không phải là Nsf1, và không có gì rõ ràng trong vùng gen mà chúng tôi đã xác định có thể dễ dàng giải thích độ nhạy tolpyralate. Vì vậy, trong khi chúng tôi lập bản đồ đặc điểm, cơ chế sinh lý vẫn khó nắm bắt”.

Williams lưu ý rằng cần phải nghiên cứu thêm để hiểu rõ hơn về độ nhạy của tolpyralate, cả về cơ chế sinh lý và mức độ phổ biến của tính trạng này ở tất cả các loại ngô. Ông cho biết có tiềm năng phát triển các dấu hiệu phân tử có thể xác định các dòng ngô nhạy cảm, điều này sẽ hữu ích trong việc cải thiện khả năng chống chịu tolpyralate.

Hiện tại, ông muốn nâng cao nhận thức của những nhà nhân giống ngô, người trồng ngô và các công ty hóa chất đang nghiên cứu thế hệ tiếp theo của chất ức chế HPPD, đặc biệt vì đây là trường hợp đầu tiên về điểm yếu di truyền đối với thuốc diệt cỏ ngô được ghi nhận trong hơn ba thập kỷ.

Williams cho biết: “Những gì chúng tôi học được từ nghiên cứu này có thể hữu ích ngoài chính tolpyralate, vì một số chất ức chế HPPD mới có nguồn gốc từ cấu trúc hóa học tương tự đang được phát triển. Nếu chúng ta có thể tránh được những vấn đề khác trong tương lai thì hãy làm ngay bây giờ”.

Đỗ Thị Nhạn theo Đại học Illinois.