Phát hiện gen `cách mạng xanh` mới gieo hy vọng cho cây lúa mì chống chịu khô hạn

Đặc điểm kiểu hình của Magnif (Rht-B13a) và Magnif M (Rht-B13b). (A) Magnif và (B) Magnif M được trồng trong điều kiện nhà kính ở giai đoạn tăng trưởng Zadoks 69. Quá trình phát triển theo thời gian của (C) chiều dài thân và (D) chiều dài cuống lúa mì được trồng trong điều kiện đồng ruộng. Các điểm dữ liệu kết hợp các phương pháp đo từ 5–10 cây trồng ngoài đồng ruộng. Các thanh lỗi đại diện cho SEM. (Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (2022). DOI: 10.1073/pnas.2209875119.

Các giống lúa mì chiều cao bị giảm hoặc giống bán lùn với khả năng phục hồi khô hạn được cải tiến có thể sớm được trồng trên các cánh đồng trên toàn cầu sau một khám phá khoa học đầy lý thú.

Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm John Innes phối hợp với một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế đã phát hiện ra một gen làm giảm chiều cao mới Rht13, điều này có nghĩa là hạt giống có thể được gieo trồng sâu hơn vào đất để tiếp xúc với độ ẩm mà không có tác động bất lợi đối với sự nảy mầm của cây con giống như lúa mì hiện tại.

Các giống lúa mì có gen Rht13 có thể nhanh chóng được chọn tạo giống thành các giống lúa mì có thể cho phép nông dân trồng lúa mì đạt chiều cao thấp hơn trong điều kiện đất khô hơn.

Tiến sỹ Philippa Borrill, trưởng nhóm của Trung tâm John Innes, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Chúng tôi đã tìm ra một cơ chế mới có thể tạo ra các giống lúa mì chiều cao bị giảm mà không có một số bất lợi liên quan đến các gen bán lùn thông thường. Việc phát hiện ra gen này, các tác động và vị trí chính xác của nó trên bộ gen lúa mì, điều này có nghĩa là chúng ta có thể cung cấp cho các nhà lai tạo một dấu hiệu di truyền hoàn hảo để cho phép họ lai tạo ra loại lúa mì có khả năng thích ứng với khí hậu tốt hơn”.

Nghiên cứu, xuất hiện trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (PNAS), cho thấy lợi ích nông học bổ sung của gen bán lùn mới có thể bao gồm thân cây cứng hơn, có khả năng chống chịu thời tiết giông bão tốt hơn.

Kể từ những năm 1960 và "Cuộc Cách mạng Xanh", các gen chiều cao bị giảm đã làm tăng sản lượng lúa mì toàn cầu vì lúa mì thân ngắn sản xuất tập trung nhiều hơn vào hạt thay vì vào thân và đã cải thiện khả năng chống chịu.

Tuy nhiên, các gen Cách mạng Xanh được lai tạo đưa vào trong cây lúa mì cũng có một nhược điểm đáng kể: Khi những giống này được gieo trồng sâu hơn để tiếp xúc độ ẩm trong môi trường hạn chế nước, chúng có thể không chạm tới bề mặt đất.

Gen lùn Rht13 mới được phát hiện đã khắc phục được vấn đề nảy mầm của cây con vì gen này hoạt động trong các mô cao hơn trong thân lúa mì. Vì vậy, cơ chế làm lùn chỉ có tác dụng khi cây con đã mọc hoàn toàn. Điều này mang lại cho nông dân một lợi thế đáng kể khi trồng cây sâu hơn trong điều kiện khô hạn.

Việc phát hiện ra gen lùn Rht13 có thể thực hiện được nhờ những tiến bộ gần đây trong nghiên cứu bộ gen lúa mì, chủ yếu là việc xuất bản vào năm 2020 của Pan Genome, một tập bản đồ gồm 15 bộ gen lúa mì được thu thập từ khắp nơi trên thế giới.

Các nghiên cứu trước đây đã xác định locus Rht13-vùng DNA - nằm trên nhiễm sắc thể 7B của bộ gen lúa mì nhưng gen cơ bản chưa được xác định.

Phối hợp với nhóm của Wolfgang Spielmeyer tại CSIRO Úc (Australia), các nhà nghiên cứu đã sử dụng trình tự RNA và nhiễm sắc thể để truy tìm gen bán lùn mới.

Họ đã tìm thấy một thay đổi đột biến một điểm-một thay đổi một chữ cái trong chuỗi DNA và biến thể này trên locus Rht13 mã hóa một gen NB-LRR tự động, một gen liên quan đến khả năng phòng vệ, luôn được bật mọi lúc.

Các thí nghiệm kiểm tra tác động của gen trong một loạt cây lúa mì chuyển gen đã xác nhận rằng biến thể Rht13 đại diện cho một loại gen giảm chiều cao mới-thường liên quan đến khả năng kháng bệnh hơn là các gen Cách mạng Xanh được sử dụng rộng rãi (Rht-B1b và Rht-D1b) có liên quan đến kích thích và do đó ảnh hưởng đến sự tăng trưởng chung.

“Đây là một khám phá thú vị vì nó mở ra một cách mới để sử dụng các gen NB-LRR tự động này trong nhân giống cây trồng”, tiến sỹ Borrill giải thích.

“Trong môi trường khô hạn, gen giảm chiều cao thay thế sẽ cho phép nông dân gieo hạt ở độ sâu và không phải đánh cược với những cây con mới mọc. Chúng tôi nghĩ rằng thân cây cứng hơn có thể dẫn đến ít chỗ đổ ngã hơn - nơi mà thân cây bị đổ - và sự điều chỉnh lại của một gen lùn liên quan đến mầm bệnh có thể giúp tăng cường phản ứng kháng thuốc đối với một số mầm bệnh”.

Bước tiếp theo của nghiên cứu này sẽ là kiểm tra cách thức hoạt động của gen này trong các môi trường nông học đa dạng từ Anh đến Úc. Nhóm nghiên cứu cũng đang điều tra cách thức hoạt động của cơ chế này và đang khám phá giả thuyết rằng nó có thể là do các hạn chế phân tử trên thành tế bào ngăn cản sự kéo dài.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org