Phát hiện khả năng chống chịu thuốc diệt cỏ tự nhiên ở rêu
Thứ tư, 27-11-2024 | 08:09:36
|
Marchantia polymorpha, một loài rêu, có thể chống lại thuốc diệt cỏ glyphosate. Nguồn: Johannes Hloch /GMI.
Khả năng kháng thuốc diệt cỏ đặt ra thách thức trong việc sản xuất đủ lương thực cho dân số ngày càng tăng. Sam Caygill và các đồng nghiệp tại Viện Gregor Mendel (GMI) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Áo đã phát hiện ra cách một nhóm lớn thực vật, rêu, có khả năng chống chịu tự nhiên với thuốc diệt cỏ glyphosate—điều mà trước đây chỉ được biết đến một cách giai thoại từ nghề làm vườn.
Việc hiểu được cơ chế mà một số loại cây có khả năng chống chịu thuốc diệt cỏ tự nhiên sẽ giúp các nhà nghiên cứu có được điểm khởi đầu quan trọng để giải quyết vấn đề kháng thuốc diệt cỏ trong nông nghiệp.
Trồng đủ lương thực để nuôi sống thế giới là một nhiệm vụ vô cùng khó khăn. Để tăng năng suất, nông dân cần phải loại bỏ cỏ dại, chúng cạnh tranh với cây trồng về ánh sáng mặt trời, chất dinh dưỡng và không gian. Trong khi người làm vườn có thể đủ khả năng để nhổ cẩn thận, cào hoặc xới đất để kiểm soát cỏ dại, thì những người nông dân trồng quy mô lớn thường dùng đến thuốc diệt cỏ.
Tuy nhiên, ngành nông nghiệp đang phải đối mặt với tình trạng khó khăn tương tự do khả năng kháng thuốc diệt cỏ như y học đang phải đối mặt với tình trạng kháng thuốc kháng sinh: Thuốc diệt cỏ càng được sử dụng rộng rãi thì khả năng cỏ dại tiến hóa để kháng thuốc càng cao - giúp cỏ dại có sức mạnh cạnh tranh và phát triển mạnh hơn các loài dễ bị ảnh hưởng.
Glyphosate là một trong những loại thuốc diệt cỏ được sử dụng rộng rãi và gây tranh cãi gay gắt. Việc sử dụng quá mức gần đây đã dẫn đến sự xuất hiện của các loại cỏ dại kháng glyphosate, làm giảm năng suất cây trồng ở một số vùng của Châu Âu, Bắc Mỹ và Úc.
Tuy nhiên, bằng chứng cho thấy rằng rêu, một nhóm thực vật không có mạch, có khả năng chống chịu glyphosate—mặc dù khả năng chống chịu này chưa được xác nhận bằng thực nghiệm và cơ chế tiềm ẩn của khả năng chống chịu vẫn chưa được biết. Hiểu được khả năng chống chịu tự nhiên như vậy có thể cung cấp một chiến lược để giải quyết tình trạng kháng thuốc diệt cỏ.
AlphaFold giúp các nhà nghiên cứu phát hiện ra con đường thay thế để sản xuất protein
Trong một nghiên cứu được công bố trên Proceedings of the National Academy of Sciences, Sam Caygill và Liam Dolan tại GMI đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng rêu, một nhóm thực vật ít được nghiên cứu bao gồm rêu tản, rêu sừng và rêu, thực sự có thể chống chịu được glyphosate và phát triển ngay cả khi tiếp xúc với thuốc diệt cỏ.
Glyphosate tiêu diệt hầu hết các loại cỏ dại có mạch bằng cách ức chế một loại enzyme gọi là EPSP synthase, từ đó phá vỡ quá trình tổng hợp axit amin và sản xuất protein.
Caygill, một nghiên cứu sinh tại Đại học Oxford và làm việc tại GMI, lý giải rằng rêu có thể chịu được glyphosate bằng cách ức chế EPSP synthase: Nếu có một con đường thay thế cho EPSP synthase để tổng hợp axit amin ở rêu, rêu vẫn có thể sản xuất protein và tiếp tục phát triển ngay cả khi tiếp xúc với glyphosate.
Kết hợp kiến thức thu được từ cơ sở dữ liệu DNA với dự đoán cấu trúc dựa trên AI, Caygill đã xác định MurA là một loại enzyme có cấu trúc và chức năng tương tự như EPSP synthase. Trong khi các gen MurA có trong tất cả các loài rêu và tất cả các loài rêu được thử nghiệm đều có khả năng chịu được glyphosate, MurA không có trong các loài thực vật có hoa, vốn nhạy cảm với glyphosate.
Sau đó, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm thực nghiệm xem MurA có thể mang lại khả năng chống chịu glyphosate hay không. Việc biểu hiện quá mức MurA ở rêu Marchantia polymorpha khiến cây có khả năng chống chịu glyphosate tốt hơn so với cây đối chứng có mức MurA không thay đổi. Nhìn vào mặt trái của vấn đề, M. polymorpha đã được biến đổi gen để biểu hiện phiên bản MurA không có chức năng thì khả năng chống chịu glyphosate kém hơn so với cây đối chứng.
Nếu MurA là cần thiết cho khả năng chống chịu glyphosate, các nhà nghiên cứu sau đó đã hỏi, liệu việc đưa MurA vào các cây nhạy cảm với glyphosate tự nhiên có thể mang lại khả năng kháng thuốc diệt cỏ không? Thực vật có mạch Arabidopsis thaliana thường không biểu hiện MurA và nhạy cảm với glyphosate. Việc đưa MurA vào Arabidopsis thaliana thực sự khiến các cây biến đổi gen kháng glyphosate.
Viết lại sách giáo khoa
Sau khi chứng minh được MurA chịu trách nhiệm cho khả năng chống chịu glyphosate của rêu, nhóm nghiên cứu đã hợp tác với Thomas Köcher tại cơ sở VBCF Metabolomics để tìm hiểu chính xác MurA mang lại khả năng chống chịu glyphosate như thế nào.
Sử dụng phổ khối có độ nhạy cao, các nhà nghiên cứu đã kiểm tra xem MurA có tạo ra cùng một hợp chất nhỏ EPSP mà EPSP synthase tạo ra hay không. Thật vậy, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng cả MurA và EPSP synthase đều xúc tác sản xuất cùng một sản phẩm, EPSP.
Do đó, MurA cung cấp một con đường thay thế có thể duy trì sản xuất axit amin và tổng hợp protein ở rêu, ngay cả khi EPSPS bị ức chế bởi glyphosate. Phát hiện này là bất ngờ, vì theo quy tắc chỉ có EPSP synthase được cho là sản xuất EPSP.
"Một việc là khám phá ra cơ chế tồn tại tự nhiên giải thích tại sao một số loại cây có khả năng chống chịu được glyphosate. Một việc khác là khám phá ra bước tiến mới trong quá trình tổng hợp axit amin", Dolan, trưởng nhóm cấp cao và phó giám đốc khoa học tại GMI cho biết.
Khám phá bất ngờ này nhấn mạnh lý do tại sao các sinh vật theo truyền thống ít được nghiên cứu, như rêu, có thể cung cấp chìa khóa để hiểu các câu hỏi cơ bản trong sinh học. "Khám phá của Sam và Thomas nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đưa sự đa dạng của các sinh vật vào các chương trình nghiên cứu của chúng tôi. Chọn lọc tự nhiên đã tạo ra sự đa dạng. Chúng ta không nên giới hạn tầm nhìn của mình bằng cách bỏ qua sự đa dạng này".
Ngoài ra, khám phá này có thể dẫn đến các chiến lược mới để giảm khả năng kháng thuốc diệt cỏ ở cỏ dại.
Đỗ Thị Nhạn theo Phys.org
|
Trở lại In Số lần xem: 115 |
[ Tin tức liên quan ]___________________________________________________
|