Phát hiện gen mở ra hướng mới cho chọn giống lúa kháng bệnh

Các nhà nghiên cứu quan sát kiểu hình của cây lúa trên đồng ruộng nhằm thu thập các dữ liệu quan trọng phục vụ công tác chọn tạo giống lúa kháng bệnh. Nguồn: Center for Excellence in Molecular Plant Sciences.

Bệnh bạc lá do vi khuẩn (bacterial blight, BB) là một bệnh hại nghiêm trọng trên cây lúa, đặc biệt phổ biến ở các vùng khí hậu nóng ẩm. Do mức độ gây hại lớn, việc phát hiện và ứng dụng các gen kháng BB có ý nghĩa chiến lược trong việc đảm bảo sản xuất lúa ổn định tại châu Á. Tuy nhiên, các chiến lược cải thiện khả năng kháng bệnh thường đối mặt với sự đánh đổi giữa năng suất và miễn dịch - khi khả năng kháng cao có thể đi kèm với giảm năng suất.

Cho đến nay, phần lớn các gen kháng BB (Xa) đã được “phân lập dòng” tức là đã được xác định, tách dòng và kiểm chứng chức năng, đều có nguồn gốc từ các loài lúa hoang dại có quan hệ gần hoặc là các đột biến mất chức năng của các gen cảm nhiễm, cho thấy tính kháng bệnh bạc lá vi khuẩn có thể đã bị chọn lọc bất lợi trong quá trình thuần hóa lúa.

Trước thực tế đó, việc làm sáng tỏ cách thức các gen kháng và mạng lưới điều hòa của chúng được chọn lọc trong quá trình thuần hóa có ý nghĩa quan trọng đối với định hướng chọn giống lúa kháng bệnh.

Nhằm giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do giáo sư HE Zuhua (Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc), phối hợp với các nhóm của giáo sư CHEN Gongyou (Đại học Giao thông Thượng Hải) và giáo sư DENG Yiwen (Đại học Chiết Giang), đã phân lập gen kháng BB phổ rộng Xa48. Nghiên cứu đã đề xuất một mô hình mới về cơ chế kháng bệnh bền vững, liên quan đến thụ thể miễn dịch NLR và effector tương ứng, đồng thời làm rõ cơ chế phân tử giúp XA48 điều phối cân bằng giữa sinh trưởng và miễn dịch trong quá trình thuần hóa.

Công trình được công bố trên tạp chí Nature ngày 8 tháng 4.

Thông qua khai thác nguồn vật liệu di truyền quy mô lớn, các nhà nghiên cứu đã phát hiện gen Xa48 trong giống lúa indica Shuangkezao (SKZ). Kết hợp phương pháp phân lập dựa trên bản đồ với phân tích liên kết toàn hệ gen (GWAS), họ xác định rằng gen này mã hóa một protein thụ thể NLR. Các thí nghiệm chức năng cho thấy XA48 trực tiếp nhận diện effector gây bệnh XopG, từ đó kích hoạt phản ứng miễn dịch.

Các nghiên cứu di truyền, sinh hóa và sinh học tế bào cho thấy sau khi nhận diện XopG, XA48 thúc đẩy phân hủy yếu tố ức chế miễn dịch OsVOZ1/2, qua đó kích hoạt hệ thống phòng vệ của cây. Phát hiện này tạo nền tảng cho việc phát triển các giống lúa vừa năng suất cao vừa kháng bệnh.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng phân tích quá trình thuần hóa của XA48 nhằm làm rõ cơ chế cân bằng giữa sinh trưởng và miễn dịch. Kết quả cho thấy gen OsVOZ1 đã tiến hóa thành hai biến thể alen là OsVOZ1A và OsVOZ1S. Lúa japonica chỉ mang OsVOZ1A, trong khi lúa indica duy trì cả hai biến thể.

Sự kết hợp giữa Xa48 và OsVOZ1A gây bất lợi sinh sản ở lúa japonica - hiện tượng không xuất hiện ở indica, dẫn đến mất chức năng của Xa48 ở nhóm này. Do đó, Xa48 chỉ tồn tại ở lúa indica, vốn được trồng chủ yếu tại Đông Nam Á, nơi có tỷ lệ nhiễm BB cao. Sự phân bố này phù hợp với giả thuyết về chọn lọc âm đối với gen kháng ở japonica, vốn được trồng ở Đông Bắc Á với mức độ nhiễm BB thấp hơn.

Bên cạnh đó, các nhà nghiên cứu đã xây dựng nền tảng nghiên cứu miễn dịch dựa trên hai con đường chính: miễn dịch kích hoạt bởi mẫu (PTI) và miễn dịch kích hoạt bởi effector (ETI), được trung gian bởi AvrXa48-XA48 - nhằm phân tích tác động hiệp đồng của chúng trong quá trình nhiễm bệnh. Một hệ thống tích hợp PTI+ETI đã được phát triển để tăng cường khả năng kháng BB.

Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu cũng tái tạo thành công khả năng kháng phổ rộng từ lúa hoang dại vào lúa hiện đại, mở ra hướng tiếp cận mới cho kiểm soát bền vững bệnh hại cây trồng.

Nghiên cứu này cung cấp nền tảng khoa học và nguồn tài nguyên di truyền quan trọng cho việc nâng cao khả năng kháng bệnh trong các chương trình chọn giống lúa, góp phần thúc đẩy phát triển nông nghiệp bền vững.

Phạm Thành Nhân theo CAS.