Đột phá di truyền ở cây ngũ cốc có thể giúp cải thiện năng suất cây trồng trên thế giới

Một nhóm nhà khoa học của trường Đại học Clemson đã đạt được một đột phá về mặt di truyền về quá trình lão hoá ở cây ngũ cốc với khả năng tác động mạnh mẽ tới tương lai an ninh lương thực trong thời đại biến đổi khí hậu.

Nghiên cứu hợp tác đã khám phá ra kiến trúc di truyền của quá trình lão hoá ít được biết đến trong cây bắp (a.k.a. bắp) và các loại cây ngũ cốc khác, đã được công bố trên tạp chí Tế bào thực vật, một trong những tạp chí hàng đầu về khoa học cây trồng. Rajan Sekhon, nhà di truyền học và là trợ lý giáo sư của khoa di truyền và sinh hoá thuộc Đại học Khoa học, là trưởng nhóm và là tác giả chính của bài báo với tiêu đề: “Phân tích quy mô bộ gen tích hợp nhận diện gen ưu tú và mạng lưới lão hoá ở cây bắp”.

Cánh đồng bắp. Ảnh: Soru Epotok/Adobe Stock

Sekhon cho rằng “sự lão hoá nghĩa là cái chết của một tế bào hoặc một cơ quan. Nó xảy ra khá nhiều ở mọi nơi, thậm chí ở các loài động vật. Chúng giết các tế bào chúng không cần. Khi thời tiết thay đổi vào mùa thu, chúng ta có nhiều màu sắc mùa thu đẹp trên cây. Khi bắt đầu mùa thu, khi các loài thực vật nhận ra rằng chúng không thể duy trì những chiếc lá, chúng sẽ tiêu diệt những chiếc lá của chúng”.

Kết quả là những chiếc lá sẽ chết sau khi chúng thể hiện màu sắc của chúng. Năng lượng được tích trữ từ lá được lưu trữ trong thân hoặc rễ của cây và thường nhanh chóng tái tạo lá vào mùa xuân. Điều này làm cho cây hoàn hảo. Nhưng câu chuyện thì hoàn toàn khác đối với một số loài cây ăn được khác, đặc biệt như các loại cây ngũ cốc như bắp, lúa gạo và lúa mì.

Sekhon phát biểu, “Những cây trồng này có khuynh hướng được chăm sóc rất cẩn thận và được nhận quá nhiều chất dinh dưỡng dưới dạng phân bón bởi nông dân. Thay vì từ từ chết, lá cây có thể tiếp tục tạo ra thức ăn thông qua quá trình quang hợp. Sự hiểu biết về các yếu tố gây ra lão hoá trong cây trồng như cây bắp có nghĩa là các nhà khoa học có thể thay đổi cây trồng theo cách có thể có lợi cho một thế giới đói”.

“Nếu chúng ta có thể làm giảm quá trình lão hoá, điều này cho phép thực vật luôn xanh – hoặc không gìa cỗi – trong một khoảng thời gian dài” Sekhon nói. “các nhà chọn giống thực vật có thể lựa chọn cây trồng lão hoá muộn mà không có sự hiểu biết đầy đủ về phương thức hoạt động của quá trình lão hoá ở cấp độ phân tử”.

Những cây này được gọi là cây hằng xanh sống với tên của chúng. Chúng có thể xanh lâu hơn, tạo ra nhiều năng suất và dẻo dai hơn trong môi trường với nhiều yếu tố bất lợi như khô hạn và nhiệt.

Lão hoá là một tính trạng phức tạp bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên trong và bên ngoài và được điều hoà bởi nhiều gen hoạt động cùng nhau. Do đó, các phương pháp di truyền không hiệu quả trong việc làm sáng tỏ hoàn toàn quá trình bí ẩn này. Đột phá bởi Sekhon và cộng sự là kết qủa của phương pháp di truyền hệ thống.

Sekhon và những nhà nghiên cứu khác đã nghiên cứu sự biến dị di truyền tự nhiên của các tính trạng thường xanh ở cây bắp. Họ đã trồng 400 loại bắp khác nhau, khác biệt dựa vào DNA fingerprint (hoặc kiểu gen) và sau đó đánh giá quá trình lão hoá của chúng (ví dụ như kiểu hình). Sau đó, nhóm nghiên cứu đã kết hợp kiểu gen của mỗi dòng lai với kiểu hình của nó để nhận diện 64 gen ứng cử viên có thể sắp xếp quá trình lão hoá.

Phần khác của nghiên cứu tiến hành chọn một cây xanh và cây không xanh và quan sát biểu hiện của khoảng 40.000 gen trong suốt quá trình lão hoá. Sekhon nói “các nhà nghiên cứu của chúng tôi đã quan sát các mẫu mỗi vài ngày và đánh dấu những gen nào đã đạt được biểu hiện trong suốt khoảng thời gian đặc biệt. Điều này đã xác định hơn 600 gen mà những gen này xuất hiện để xác định cây có giữ màu xanh hay không”.

“Một trong những vấn đề lớn với mỗi cách tiếp cận là sự xuất hiện dương tính giả, có nghĩa là một vài gen được phát hiện là có biểu hiện và trường hợp âm tính giả, có nghĩa là chúng ta đã bỏ qua một vài gen liên quan”.

Do dó, Sekhon và các đồng nghiệp đã phải nỗ lực kết hợp các kết quả từ hai thí nghiệm lớn bằng cách sử dụng phương pháp “di truyền hơi nước” để xác định vài gen mục tiêu có độ tin cậy cao có thể được thử nghiệm để khẳng định vai trò của chúng trong quá trình lão hoá. Họ đã kết hợp nhiều dữ liệu để thu hẹp 14 gen ứng cử viên, cuối cùng hai gen được kiểm tra chi tiết.

“Một trong những khám phá đáng chú ý nhất là các loại đường xuất hiện để ra lệnh cho quá trình lão hoá”. Sekhon nói. “Khi đường không được di chuyển ra khỏi lá nơi chúng được tạo ra bởi quá trình quang hợp, những phân tử đường này bắt đầu truyền tín hiệu để bắt đầu quá trình lão hoá.

Tuy nhiên, không phải tất cả các dạng đường tìm thấy trong cây có khả năng truyền tín hiệu. Một trong những gen mà Sekhon và cộng sự phát hiện ra trong nghiên cứu dường như phá vỡ các loại đường phức tạp trong tế bào lá thành những phân tử đường nhỏ hơn – các loại đường sáu cacbon như glucose và fructose – có khả năng truyền tín hiệu lão hoá.

Đây là một vấn đề phức tạp, Sekhon nói. “Chúng ta không chỉ mất những loại đường bổ sung được tạo ra bởi cây. Những dạng đường không được sử dụng trong lá bắt đầu lão hoá và ngăn chặn quá trình tổng hợp đường cùng nhau”.

Việc này có ý nghĩa rất lớn đối với an ninh lương thực. Những dạng đường được tạo ra bởi thực vật có thể được chuyển hoá tới nhiều cơ quan mà có thể được sử dụng cho thực phẩm.

“Việc phân chia đường là một yếu tố chính trong quá trình lão hoá. Những gì chúng tôi tìm được là nhiều biến dị di truyền thậm chí trong các giống bắp trồng ở Hoa Kỳ.

Khi hạt được thu hoạch, bất cứ thứ gì còn lại trên cánh đồng được gọi là rơm khô. Rơm khô có thể được dùng làm thức ăn gia súc hoặc làm nguồn nhiên liệu sinh học. Với nhu cầu lương thực và năng lượng ngày càng gia tăng, có sự gia tăng mối quan tâm về việc phát triển các loại cây trồng hai mục đích cung cấp ngũ cốc và thân cây. Khi đất nông nghiệp trở nên khan hiếm, cây trồng gìa cỗi muộn thì rất quan trọng bởi vì chúng tạo ra nhiều năng lượng tổng thể trên mỗi cây.

Những gen được xác định trong nghiên cứu này có khả năng thực hiện chức năng giống nhau trong các loại cây ngũ cốc khác nhau. Sekhon nói rằng bước kế tiếp là kiểm tra chức năng của những gen này dùng đột biến và biến đổi gen.

Sekhon phát biểu rằng, “Mục tiêu cuối cùng là giúp trái đất và nuôi dân số thế giới. Với khí hậu ngày càng tồi tệ, đất và nước ngày càng bị thu hẹp và dân số ngày càng tăng, an ninh lương thực là thách thức lớn mà nhân loại phải đối mặt.

Trương Thị Tú Anh theo Sciencedaily.