Gen thực vật chịu hạn có thể thúc đẩy sự phát triển hiệu quả sử dụng nước của cây trồng

Các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng đã xác định được một bộ gen chung cho phép các cây chịu hạn khác nhau sống sót trong điều kiện bán khô hạn, có thể đóng một vai trò quan trọng trong công nghệ sinh học và tạo ra cây trồng năng lượng chịu được sự thiếu hụt nước.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng siêu máy tính Titan của ORNL để so sánh các bộ gen của Kalanchoë fedtschenkoi (hàng sau) và cây Phalaenopsis equestris hay cây lan ,hàng đầu), cũng như Ananas comosus, hoặc cây dứa.

Cây trồng phát triển mạnh ở vùng đất khô cằn bằng cách giữ các khí khổng, hoặc các lỗ, đóng vào ban ngày để tiết kiệm nước và mở vào ban đêm để thu thập CO₂. Hình thức của quang hợp này, được gọi là quá trình trao đổi acid crassulacean hay CAM, đã phát triển qua hàng triệu năm, xây dựng các đặc tính tiết kiệm nước trong cây như Kalanchoë, lan và dứa.

"Tương tự, CAM là một cơ chế đã được chứng minh để nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong thực vật", Xiaohan Yang, đồng tác giả của ORNL cho biết. "Khi chúng ta tiết lộ các khối cấu trúc tạo nên quá trình quang hợp của CAM, chúng ta sẽ có khả năng tạo ra các quá trình trao đổi chất các loại cây trồng có năng suất cao như gạo, lúa mì, đậu nành và cây dương để tăng tốc độ thích ứng với môi trường bị hạn chế nước.

Các nhà khoa học đang nghiên cứu một số loại cây chịu hạn để mở khóa cho sự bí ẩn của quang hợp CAM. Đối với công trình này, đội nghiên cứu dẫn đầu của ORNL đã thực hiện bộ gen của Kalanchoë fedtschenkoi, là một mô hình mới cho nghiên cứu bộ gen của CAM vì hệ gene của nó tương đối nhỏ và có khả năng chỉnh sửa di truyền.

Nhóm nghiên cứu đã điều tra và so sánh các bộ gen của K. fedtschenkoi, Phalaenopsis equestris (lan) và Ananas comosus (dứa) bằng siêu máy tính Titan của ORNL.

Ông Yang cho biết: "Người ta thừa nhận rằng một số cây trồng không liên quan có những đặc điểm tương tự trong điều kiện môi trường tương tự, là một quá trình được gọi là tiến hóa hội tụ.

Họ đã xác định 60 gen thể hiện sự tiến hóa hội tụ ở các loài CAM, bao gồm thay đổi biểu hiện gen ban ngày và ban đêm trong 54 gen, cũng như trình tự chuỗi protein trong sáu gen. Cụ thể, nhóm nghiên cứu phát hiện ra một biến thể mới của phosphoenolpyruvate carboxylase, hoặc PEPC. PEPC là enzyme "người hoạt động" quan trọng chịu trách nhiệm cho việc gắn kết CO₂ đối với axit malic vào ban đêm. Axit malic sau đó được chuyển đổi trở lại thành carbon dioxide để quang hợp vào ban ngày.

Ông Yang cho biết: “Những thay đổi hội tụ trong biểu hiện gen và trình tự protein có thể được đưa vào cây trồng dựa vào quang hợp truyền thống, đẩy mạnh quá trình phát triển của chúng giúp sử dụng nước hiệu quả hơn. Nhóm đã công bố những phát hiện của họ trong tạp chí Nature Communications.

Sử dụng nước thông minh

Sản xuất cây trồng là sự tiêu thụ nước lớn nhất trên thế giới. Những nguồn nước sạch tiềm năng đang bị thu hẹp lại do đô thị hóa, tăng trưởng dân số và biến đổi khí hậu, điều này tạo ra thách thức đối với môi trường đang phát triển tối ưu.

Để giải quyết vấn đề này, kỹ thuật quang hợp CAM đối với cây trồng lương thực, thực phẩm và năng lượng có thể làm giảm việc sử dụng nước trong nông nghiệp và tăng khả năng phục hồi của cây trồng khi cung cấp nước ít hơn mong muốn.

Jerry Tuskan, đồng tác giả và giám đốc điều hành của Trung tâm Năng lượng Sinh học, dẫn đầu bởi ORNL cho biết: "Nghiên cứu bộ gen của cây trồng tiết kiệm năng lượng cũng có thể cung cấp cái nhìn kỹ lưỡng vào khả năng sử dụng nước mặn nhẹ của cây trồng và duy trì tăng trưởng ở nhiệt độ cao hơn và lượng nước sạch thấp hơn. Nếu chúng ta có thể xác định được cơ chế hiệu quả sử dụng nước, chúng ta có thể di chuyển các đặc điểm này sang các cây trồng nông học, cung cấp nguồn nước không thể uống cho tưới tiêu những cây này và tiết kiệm nguồn nước sạch dùng để uống".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Sciencedaily.