Gen cà chua có thể cải thiện khả năng phục hồi của cà chua sau hạn hán

SlbHLH70 cải thiện khả năng sống sót sau stress do thiếu nước bằng cách phối hợp tín hiệu hormone và phát triển rễ, mở ra tiềm năng ứng dụng trong chọn tạo giống cà chua

Một gen ở cà chua giúp cây sống sót qua hạn hán và hồi phục sau khi được tưới nước trở lại có thể mang đến cho các nhà chọn giống một hướng tiếp cận mới để phát triển các giống cà chua có khả năng chống chịu tốt hơn.

Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng việc tăng cường hoạt động của SlbHLH70 giúp cà chua tăng khả năng sống sót trong điều kiện hạn hán, trong khi vô hiệu hóa gen này khiến cây nhạy cảm hơn với tình trạng thiếu nước. Gen này dường như hoạt động như một trung tâm điều hòa, kết nối quá trình cảm nhận stress và tín hiệu hormone với sự phát triển của hệ rễ khỏe hơn.

Nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học từ Đại học Tân Cương (Xinjiang University) và Học viện Khoa học Nông nghiệp Khu tự trị Duy Ngô Nhĩ Tân Cương. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Horticulture Research.

Thiếu nước đe dọa sản xuất cà chua

Hạn hán là một trong những yếu tố gây stress môi trường nghiêm trọng nhất đối với nông nghiệp, làm hạn chế sinh trưởng của cây và giảm năng suất.

Cà chua (Solanum lycopersicum) là loại rau có giá trị kinh tế cao, nhưng năng suất có thể giảm mạnh khi nguồn nước bị hạn chế. Khi hạn hán trở nên thường xuyên hoặc khó dự đoán hơn ở nhiều vùng sản xuất, các nhà chọn giống đang tìm kiếm những tính trạng giúp cây duy trì năng suất và phục hồi sau các giai đoạn chịu stress.

Cây trồng phản ứng với tình trạng thiếu nước thông qua nhiều cơ chế liên kết với nhau. Các cơ chế này bao gồm đóng khí khổng, điều chỉnh cân bằng nước bên trong cây, thay đổi sự phát triển của rễ và kích hoạt các phản ứng stress được kiểm soát bởi hormone.

Gen SlbHLH70 mới được xác định dường như phối hợp nhiều quá trình trong số này.

Cây cà chua biến đổi gen có tỷ lệ sống cao hơn

Các nhà nghiên cứu tiến hành thí nghiệm trên giống cà chua Micro-Tom. Họ tạo ra các cây cà chua tăng biểu hiện SlbHLH70 và sử dụng công nghệ CRISPR/Cas9 để tạo ra các dòng cây cà chua bị knockout (vô hiệu hóa) gen này.

Sau khi trải qua điều kiện hạn hán và được tưới nước trở lại, khoảng 60% số cây cà chua tăng biểu hiện SlbHLH70 đã sống sót. Trong khi đó, tỷ lệ sống sót của cây cà chua hoang dại (wild type) làm đối chứng dưới 40%. Các cây cà chua thiếu gen SlbHLH70 bị tổn thương nghiêm trọng hơn và phục hồi kém hơn.

Gen này được kích hoạt nhanh chóng khi cây tiếp xúc với polyethylene glycol (PEG), chất thường được sử dụng để mô phỏng điều kiện hạn hán, cũng như với methyl jasmonate (MeJA), một hợp chất tham gia vào các phản ứng stress của cây trồng. Protein SlbHLH70 nằm trong nhân tế bào, phù hợp với chức năng của yếu tố phiên mã có khả năng kiểm soát hoạt động của các gen khác.

Gen phối hợp hai con đường hormone

Phân tích sâu hơn cho thấy SlbHLH70 ảnh hưởng đến axit abscisic (ABA), một hormone đóng vai trò trung tâm trong phản ứng của cây đối với hạn hán.

Gen này cũng ảnh hưởng đến axit jasmonic (JA), một hormone khác tham gia vào quá trình truyền tín hiệu stress và phát triển của cây. Các phép đo xác nhận rằng việc thay đổi hoạt động của SlbHLH70 làm thay đổi hàm lượng của cả hai hormone này.

Bằng cách kết hợp giải trình tự tinh chế ái lực DNA (DNA affinity purification) và giải trình tự RNA (RNA-seq), nhóm nghiên cứu xác định được 151 gen đáp ứng với hạn hán là các gen mục tiêu của SlbHLH70.

Các thí nghiệm trong phòng thí nghiệm xác nhận rằng yếu tố phiên mã này có thể liên kết trực tiếp với các vùng promoter của một số gen liên quan đến ABA, bao gồm SlSnRK2.1, SlPYL8, SlPP2C5 và SlCYP707A2.

Rễ khỏe hơn hỗ trợ phản ứng với hạn hán

Gen này cũng điều hòa các gen liên quan đến phát triển rễ, trong đó có SlCycA2;1 và SlLBD40.

Các dòng cà chua tăng biểu hiện SlbHLH70 phát triển hệ rễ khỏe hơn trong điều kiện hạn hán. Điều này cho thấy gen này không chỉ kích hoạt các tín hiệu stress bên trong cây mà còn giúp tạo ra những thay đổi về mặt hình thái, cho phép cây tiếp tục phát triển rễ để tìm kiếm nguồn nước.

Do đó, các nhà nghiên cứu cho rằng SlbHLH70 nằm ở trung tâm của một mạng lưới phản ứng rộng hơn đối với hạn hán. Vai trò của gen không giới hạn ở một cơ chế bảo vệ đơn lẻ mà bao gồm sự phối hợp giữa cân bằng hormone, truyền tín hiệu stress và phát triển hệ rễ.

Tiềm năng trở thành mục tiêu chọn giống nhưng cần thí nghiệm đánh giá ngoài đồng ruộng

Những phát hiện này cho thấy SlbHLH70 có thể trở thành mục tiêu di truyền tiềm năng để chọn tạo các giống cà chua có khả năng chịu thiếu nước tốt hơn và phục hồi hiệu quả hơn sau hạn hán.

Các gen được SlbHLH70 điều hòa cũng có thể cung cấp các chỉ thị phân tử để sàng lọc phạm vi rộng hơn các nguồn vật liệu di truyền của cà chua.

Tuy nhiên, cần tiến hành thêm các thử nghiệm ngoài đồng để xác định liệu những lợi ích quan sát được ở giống Micro-Tom có được duy trì ở các giống thương mại và trong điều kiện sản xuất thực tế hay không. Các nhà nghiên cứu cũng cần đánh giá những ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng quả và khả năng sinh trưởng của cây dưới các kiểu stress thiếu nước khác nhau.

Dù vậy, kết quả nghiên cứu cho thấy việc nâng cao khả năng chống chịu hạn có thể phụ thuộc vào sự phối hợp của nhiều hệ thống trong cây, thay vì chỉ lựa chọn một tính trạng chịu hạn riêng lẻ.

Nguyễn Tiến Hải theo Seedworld.com