Lượng phốt pho thấp điều chỉnh cấu trúc và mức độ hấp thu chất dinh dưỡng trên cây lúa

Nguồn: Molecular Plant  (2023). DOI: 10.1016/j.molp.2023.09.022.

Nhóm nhà khoa học nghiên cứu đứng đầu bởi tiến sỹ Wang Bing và Li Jiayang từ Viện Di truyền và Sinh học Phát triển của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã chỉ ra rằng lượng phốt pho thấp kích hoạt quá trình sinh tổng hợp và truyền tín hiệu của strigoalactones (một nội tiết tố trong cây điều chỉnh sự mọc chồi) để điều chỉnh cấu trúc thực vật cũng như sự hấp thu nitơ và phốt phát trong cây lúa.

Các nhà nghiên cứu cũng phát triển cây chuyển gen với hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng cao hơn, cải thiện cấu trúc chồi và rễ, đồng thời tăng sinh khối cũng như năng suất hạt trong điều kiện hàm lượng phốt pho từ thấp đến trung bình. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Molecular Plant  ngày 4 tháng 10.

Phốt pho là một trong những nguyên tố đa lượng cần thiết cho sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Năng suất cây trồng cao phụ thuộc vào việc sử dụng nhiều phân bón hóa học, chẳng hạn như phân lân, làm tăng năng suất cây trồng nhưng làm giảm hiệu quả sử dụng lân. Đá lân (đá photphat) là nguồn tài nguyên không tái tạo được, việc sản xuất và sử dụng quá nhiều phân lân đã gây lãng phí tài nguyên nông nghiệp, ô nhiễm môi trường, không thuận lợi cho sự phát triển bền vững của nông nghiệp.

Vì vậy, điều quan trọng là phải khám phá các cơ chế phản ứng của thực vật với lượng phốt pho thấp để cải thiện hiệu quả sử dụng phốt pho, giảm lượng phân bón phốt pho và đạt được sự phát triển bền vững của nông nghiệp.

Strigolactones là một nhóm hormone thực vật điều chỉnh các quá trình sinh học khác nhau và đóng vai trò quan trọng trong việc ứng phó với tình trạng thiếu phốt pho. Căng thẳng phốt pho thấp gây ra đáng kể của quá trình sinh tổng hợp strigolactone ở cây lúa, nhưng các yếu tố phiên mã điều chỉnh quá trình này vẫn chưa được xác định. Cơ chế mà strigolactone điều chỉnh cấu trúc thực vật quan trọng và sự cân bằng nitơ và phốt pho trong lúa trong điều kiện phốt pho thấp vẫn chưa rõ ràng.

Nghiên cứu này cho thấy, trong môi trường có hàm lượng lân thấp, gen OsPHR2 của cây lúa là yếu tố chính như chất điều hòa tín hiệu phốt pho trực tiếp kích hoạt sự biểu hiện của các gen tổng hợp NSP1, NSP2 và strigolactone; NSP1 và NSP2 cũng tạo thành một dị vòng liên kết trực tiếp và kích hoạt quá trình phiên mã tổng hợp strigolactone.

Strigolactone tiếp tục kích hoạt đường truyền tín hiệu của nó để ức chế sự kéo dài của chồi và giảm mật độ rễ phụ bằng cách thúc đẩy sự biểu hiện của OsTB1 điều khiển nhánh vô hiệu và ​​ức chế sự biểu hiện CRL1 tương ứng. Điều thú vị là họ phát hiện ra rằng strigolacton ức chế sự hấp thu và vận chuyển nitơ bằng cách điều chỉnh sự biểu hiện của các gen vận chuyển nitơ như OsNRT2.1, OsNRT1.1B và OsNAR2.1, đồng thời thúc đẩy sự hấp thu phốt pho bằng cách kích hoạt sự biểu hiện của các gen vận chuyển phốt pho OsPTs.

Những kết quả này minh họa một cơ chế mới làm cơ sở cho sự cân bằng nitơ và phốt pho trong lúa.

Hơn nữa, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng mặc dù sự biểu hiện quá mức của NSP1 và NSP2 là yếu tố dẫn đến giảm số nhánh, chiều dài bông và năng suất hạt, nhưng sự biểu hiện quá mức của NSP1 và NSP2 với các tác động của chính chúng đã thực hiện quá trình sinh tổng hợp strigolactone ở mức cao thích hợp và tăng khả năng hấp thụ phốt pho ở môi trường có hàm lượng phốt pho thấp. Các cây NSP1p:NSP1 và NSP2p:NSP2 cho thấy sự hấp thu nitơ tăng lên, số nhánh đâm chồi, chiều dài bông, sinh khối và năng suất hạt trên mỗi cây tăng lên trong điều kiện phốt pho thấp và trung bình.

Tóm lại, các nhà nghiên cứu đã tiết lộ cơ chế điều hòa sinh tổng hợp của strigolactone và vai trò của strigolactone trong việc thích ứng với môi trường có hàm lượng phốt pho thấp. Nghiên cứu này cung cấp nguồn gen và các chiến lược hiệu quả để cải thiện cấu trúc cây lúa và hiệu quả sử dụng chất dinh dưỡng trong điều kiện phốt pho thấp, đồng thời đặt nền tảng vững chắc cho thiết kế phân tử và nhân giống các loại cây trồng năng suất cao và hiệu quả cao.

Dương Thị Lan Oanh theo Phys.org