Lúa cỏ liên tục phát triển bộ rẽ với một số đặc điểm “đánh lừa”

Hình ảnh kỹ thuật mới cho phép các nhà nghiên cứu xem xét làm thế nào lúa cỏ có thể liên tục phát triển hệ thống rễ mang lại lợi thế cạnh tranh. (Ảnh: Christopher Topp, Trung tâm khoa học cây trồng Donald Danforth).

Lúa cỏ không phải là lúa hoang cũng không phải là lúa trồng, mà như một dạng lúa tinh ranh truyền tải một số đặc điểm quan trọng đối với con người. Nó cũng là một loại cỏ cực kỳ hung dữ, có khả năng gây bất lợi, xuất hiện ở hầu hết mọi nơi trồng lúa và nó có thể làm giảm năng suất hơn 80% nếu xâm chiếm một cánh đồng.

Các nhà nghiên cứu từ Đại học Washington ở St. Louis và Trung tâm Khoa học cây trồng Donald Danforth đã sử dụng hình ảnh kỹ thuật mới để tìm hiểu một chiến lược kiểm soát phát triển ở lúa cỏ: rễ giảm thiểu ăn sâu dưới mặt đất và giảm tiếp xúc với các cây khác.

Nhà sinh vật học Kenneth M. Olsen (phải) trong nhà kính. (Ảnh: Đại học Washington).

Kennedy – giáo sư sinh học tại đại học Arts & Sciences at Washington University - cho biết “Lúa cỏ có thể đã phát triển một chiến lược tăng trưởng rễ đơn độc 'tinh ranh', có thể cho phép nó khai thác môi trường đất chia sẻ chất dinh dưỡng trên đồng ruộng”.

Olsen nói “Chúng ta có xu hướng nghĩ về sự cạnh tranh xảy ra trên mặt đất bởi vì đó là một phần của cây trồng mà chúng ta thấy được. Nhưng nó chỉ có một nửa, còn một nửa trong số đó nằm ẩn - tức là hệ thống rễ - đóng vai trò quan trọng trong một số khía cạnh quan trọng nhất của sự phát triển và sinh tồn của cây, bao gồm sự hấp thụ nước và cạnh tranh các chất dinh dưỡng thiết yếu như nitơ và phốt pho. Theo một số ước tính, tăng trưởng gốc thực sự là một yếu tố quan trọng quyết định thành công cạnh tranh hơn so với tăng trưởng trên mặt đất”. Ông cho biết thêm “Điều này dường như đặc biệt đúng đối với các loại cỏ dại trong nông nghiệp như lúa cỏ, cạnh tranh trực tiếp với các giống cây trồng khác”.

Nhìn ở phía dưới lòng đất

Các nhà khoa học mới chỉ bắt đầu có được cái nhìn thực tế đầu tiên về sự phát triển và tương tác của rễ dưới mặt đất ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh tài nguyên của cây trồng. Trước đây, họ không thể có một cái nhìn đúng đắn về một hệ thống rễ mà không đào nó lên (điều này chắc chắn làm hỏng nó), hoặc bằng cách trồng cây trong điều kiện nhân tạo, chẳng hạn như kẹp giữa hai tấm kính để quan sát.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã so sánh rễ của hai loại lúa cỏ tiến hóa độc lập xảy ra trên cùng một cánh đồng ở miền Nam Hoa Kỳ. Sử dụng các kỹ thuật hình ảnh mới, bao gồm phương pháp chụp cắt lớp quang học bán tự động do Christopher Topp phát triển tại Trung tâm Khoa học thực vật Donald Danforth, các nhà nghiên cứu đã chụp hơn 70 bức ảnh về hệ thống rễ của 671 cây lúa khác nhau. Sau đó, họ mô hình hóa các hình ảnh thành cấu trúc 3D để tạo ra các bản đồ kỹ thuật số 360 độ của chúng.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều thuật toán mà họ đã phát triển để phân tích 98 đặc điểm vật lý - bao gồm độ sâu của rễ, chiều rộng của hệ thống gốc, các bộ phận thăm dò nhất định của các góc giữa đất-rễ.

Họ cũng đã tiến hành phân tích di truyền để theo dõi các con đường phát triển riêng của cỏ dại từ quá khứ thuần hóa của chúng đến trạng thái của chúng trên các cánh đồng ngày nay.

Ông Marshall J. Wedger, nghiên cứu sinh tiến sĩ trong phòng thí nghiệm Olsen, đồng thời là tác giả chính của bài báo nói “Chọn lọc tự nhiên chỉ ra rằng chúng (hai loại lúa cỏ) nên phản ứng với môi trường này bằng cách phát triển những đặc điểm tương tự. Chúng đã tiến hóa những đặc điểm tương tự để đối phó với áp lực môi trường, nhưng chúng sử dụng các cơ chế di truyền rất khác nhau. 

Nghiên cứu mới cho thấy hai giống lúa cỏ tiến hóa độc lập đã tiến gần đến một mô hình phát triển rễ tương tự, đóng vai trò trong khả năng cạnh tranh dinh dưỡng với lúa trồng.

Olsen phát biểu rằng “Từ cách nhìn vào cơ sở di truyền tiến hóa của lúa cỏ, chúng ta có thể thấy liệu - ở cấp độ di truyền - có nhiều cách để tiến hóa phát triển thành một loài cỏ dại. Những gì chúng ta tìm thấy, cả về đặc điểm trên mặt đất và bây giờ với nghiên cứu này về các đặc điểm dưới mặt đất, câu trả lời chắc chắn là có”.

Nói cách khác, nó có thể dễ dàng phát triển một loại cây trồng thuần hóa thành một loại cỏ dại. Điều này có thể xảy ra nhiều lần và trên các giống cây trồng khác nhau.

Lê Thị Kim Loan theo Science & Technology.