Làm thế nào cây đậu cỏ độc có thể trở thành cây cứu cánh trong biến đổi khí hậu

Nguồn: Trung tâm John Innes.

Công việc thăm dò bộ gen đã đưa các nhà nghiên cứu đến gần hơn với bí mật về cách thức và lý do tại sao đậu cỏ tạo ra chất độc, mở đường cho loại cây trồng cổ xưa và có khả năng chống chịu khí hậu khắc nghiệt  trở thành thực phẩm của tương lai.

Bằng cách sử dụng trình tự bộ gen mới có sẵn của đậu cỏ (Lathyrus sativus L.), một nghiên cứu hợp tác do Trung tâm John Innes đứng đầu đã xác định được các bước sinh hóa quan trọng dẫn đến việc sản xuất chất độc thần kinh β-L-ODAP (ODAP).

Tiến sĩ Anne Edwards của Trung tâm John Innes, một trong những tác giả của nghiên cứu, cho biết: "Trình tự bộ gen của đậu cỏ và những hiểu biết sâu sắc về sinh hóa học mang lại một bước đột phá trong hiểu biết của chúng ta. Nó mang đến cơ hội phát triển các giống với ít ODAP hơn phù hợp với điều kiện địa phương".

Sự sẵn có của trình tự bộ gen có nghĩa là các nhà nghiên cứu có thể sử dụng phương pháp chỉnh sửa gen và nhân giống hiện đại để phát triển các giống đậu cỏ có hàm lượng ODAP thấp hoặc bằng không. Điều này có nghĩa là đậu cỏ có thể sẵn sàng đóng góp quan trọng cho hệ thống thực phẩm đa dạng hơn và có khả năng chống chịu với khí hậu trong tương lai.

Các thử nghiệm trong nhà kính tại Trung tâm John Innes và các thử nghiệm trên đồng ruộng do Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc tế ở Vùng khô hạn ICARDA ở Lebanon và Ma-rốc và Viện Nghiên cứu Nông nghiệp Ethiopia thực hiện đã được tiến hành để kiểm tra năng suất của các dòng đậu cỏ có ODAP thấp được lai với giống địa phương.

Nghiên cứu có tiêu đề "Phân tích bộ gen và sinh hóa tiết lộ chìa khóa chuyển hóa đối với quá trình sinh tổng hợp ß -L-ODAP" trên tạp chí Nature Communications cung cấp manh mối cho câu hỏi khoa học hấp dẫn về cách thức và lý do tại sao đậu cỏ tạo ra độc tố của nó.

Đậu cỏ là gì?

Đậu cỏ là một loại cây trồng được trồng ở nhiều vùng trên thế giới có hàm lượng protein cao và có khả năng chống chịu với hạn hán và lũ lụt. Nó đã được sử dụng trong nhiều thế kỷ như một loại cây trồng phòng hờ, tồn tại khi các loại cây trồng khác thất bại và an toàn để ăn như một phần của chế độ ăn uống cân bằng.

Tuy nhiên, việc trồng trọt rộng rãi của nó đã bị cản trở do một loại độc tố có trong hạt đậu, có thể gây ra bệnh suy nhược thần kinh ở những người bị suy dinh dưỡng, một tình trạng gây tê liệt không hồi phục.

Đậu cỏ nằm trong nhóm "cây mồ côi", loài bản địa đóng vai trò chính trong dinh dưỡng và kế sinh nhai của dân địa phương nhưng ít được các nhà lai tạo và nhà nghiên cứu chú ý.

Bằng cách sử dụng bộ gen mới có sẵn, nhóm nghiên cứu đã truy tìm hai enzyme tương tác để xúc tác các bước cuối cùng của quá trình sinh tổng hợp ODAP.

Một trong những enzym này có ở nhiều loài thực vật liên quan đến việc loại bỏ oxalate, một phân tử điều hòa quá trình quang hợp và được sản xuất bởi nấm như một phần của chiến lược tấn công.

Ở đậu cỏ, con đường enzyme này đã được tái sử dụng, dẫn đến việc sản xuất ODAP, cung cấp một con đường thay thế để loại bỏ oxalate.

Một giả thuyết cho rằng độc tố được tạo ra như một loại bể chứa phân tử để lưu trữ các phân tử dư thừa được thực vật sử dụng để phòng vệ hoặc các sản phẩm của các quá trình thiết yếu như quang hợp.

Vai trò có thể có của con đường này trong việc bảo vệ thực vật có nghĩa là việc làm gián đoạn quá trình này có thể gây ra những hậu quả không mong muốn cho thực vật, điều mà nhóm nghiên cứu phải lưu ý khi sử dụng các phương pháp như chỉnh sửa gen.

Tác giả Tiến sỹ Peter Emmrich từ Viện Phát triển Bền vững Norwich giải thích: “Chúng tôi biết các enzym dẫn đến ODAP nhưng chúng tôi không biết chính xác tác động trao đổi chất của việc phá vỡ các enzym khác nhau theo những cách khác nhau.

"Con đường dẫn đến ODAP rất quan trọng đối với quá trình chuyển hóa các axit amin khác như cysteine ​​và methionine, cần thiết cho sức khỏe của cây trồng. Có thể có một loại cây tồn tại mà không cần ODAP; tuy nhiên, chúng ta không biết tất cả các cách thức con đường giúp cây trồng đối phó với môi trường của nó. Vì vậy, kết quả lý tưởng có thể là bạn có một cây đậu cỏ với ít ODAP hơn nhưng nhiều methionine hơn".

Trước đây, mức độ cao của các trình tự lặp lại trong bộ gen của đậu cỏ có nghĩa là rất khó để xác định các trình tự di truyền mã hóa các enzym đằng sau quá trình sản xuất độc tố.

Trình tự bộ gen mới này có nghĩa là lộ trình đã trở nên rõ ràng hơn và chúng ta đang tiến gần hơn đến việc bổ sung đậu cỏ vào danh sách các loại cây trồng thông minh với khí hậu trong tương lai.

Tiến sỹ Edwards cho biết: “Trong quá trình chuẩn bị cho một tương lai biến đổi khí hậu gia tăng, chúng ta sẽ cần những loại cây trồng có thể đối phó với hạn hán, lũ lụt hoặc ngập úng nước mặn. Đậu cỏ có thể tồn tại trong những điều kiện như vậy tốt hơn so với các loại đậu khác, vì vậy giờ đây với nguồn gen mà chúng tôi có, thì chúng ta có cơ hội phát triển các giống có hàm lượng ODAP thấp có các đặc điểm nông học thích nghi với điều kiện địa phương trên khắp thế giới".

“Nhưng để các giống có ODAP thấp mang lại lợi ích cho con người, chúng ta phải được tiếp cận với nông dân và cho họ thấy lợi ích", Tiến sỹ Emmrich nói thêm, "Đó là lý do tại sao chúng tôi hiện đang làm việc với các nhà nghiên cứu khoa học xã hội tại UEA (Đại học East Anglia). Để hiểu sở thích của nông dân và hệ thống hạt giống địa phương, đồng thời liên hệ với các nhà lai tạo trên khắp thế giới để giúp họ tận dụng các nguồn tài nguyên mà chúng tôi đang phát triển".

Grass pea sắp gia nhập gia đình trồng trọt

Một trong những cây trồng lâu đời nhất được biết đến, đậu cỏ ngày nay được trồng như một loại cây bảo hiểm ở Ethiopia, Eritrea, Ấn Độ, Bangladesh và Nepal.

Khả năng phục hồi của nó đối với cả hạn hán và lũ lụt làm cho nó trở thành một loại cây trồng đầy hứa hẹn để đảm bảo an ninh lương thực trong điều kiện khí hậu thay đổi. Ăn như một phần của chế độ ăn uống cân bằng, nó an toàn.

Tuy nhiên, cho đến nay, mối liên quan của nó với bệnh neurolathyrism, một tình trạng tê liệt không hồi phục, đã hạn chế việc trồng trọt gây ra bởi độc tố β-L-ODAP.

Cũng vì lý do đó mà đậu cỏ thường chỉ được trồng như một loại cây “phòng hờ”, để cung cấp nguồn lương thực ngắn hạn khi vụ mùa của các loại cây trồng khác bị thất thu.

Bùi Anh Xuân theo Phys.org