Sự độc lập của hạt phấn - một vấn đề năng lượng

Hạt phấn của ngô, lúa và tất cả các loại ngũ cốc khác, cần tích trữ tinh bột như nguồn năng lượng để sử dụng sau này trong quá trình thụ tinh. Một nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi tiến sỹ Ivan Acostas từ Viện Max Planck về nghiên cứu chọn tạo giống cây trồng ở Cologne, Đức, cung với các đồng nghiệp từ Trung tâm Khoa học Tự nhiên Umea, Thụy Điển, Viện Sinh lý Thực vật Phân tử Max Planck, Đức và Đại học Rutger, Hoa kỳ đã xác định phytohormone auxin là động lực chính để sản xuất năng lượng trong quá trình hình thành hạt phấn ở cây lúa mạch.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Current Biology cho thấy mối liên hệ trực tiếp của auxin với khả năng sinh sản của phấn hoa, hiện diện một công cụ quan trọng để cải thiện giống cây trồng và một bước quan trọng hướng tới nông nghiệp bền vững.

Sau một ngày dài vui chơi và chạy nhảy ngoài trời, đôi khi chúng ta băn khoăn về lượng thức ăn mà trẻ em có thể hấp thụ. Tùy từng trường hợp mà nhu cầu năng lượng của trẻ em sẽ khác nhau. Sự thay đổi trong việc hấp thụ năng lượng này cũng xảy ra rất sớm trong quá trình phát triển, khi các tế bào của chúng ta cần phát triển và trưởng thành, phát triển thành các chức năng khác nhau của chúng. Trong khi các công tắc quản lý năng lượng, được điều chỉnh bởi các hormone và chất điều hòa cụ thể, đã được nghiên cứu rất chi tiết trong tế bào động vật, thì nghiên cứu trong quá trình phát triển của thực vật mới chỉ bắt đầu.

Thực vật thực hiện quá trình quang hợp để chúng phát triển và sinh trưởng. Trong quá trình quang hợp, carbon dioxide cùng với nước và năng lượng, dưới dạng ánh sáng, được chuyển hóa thành oxy, glucose (đường) và tinh bột. Tinh bột được lưu trữ dưới dạng năng lượng để đảm bảo rằng cây tiếp tục sinh trưởng và phát triển khi không có sẵn năng lượng từ ánh sáng.

Dự trữ tinh bột cũng cần thiết cho sự phát triển và tăng trưởng của phấn hoa ngũ cốc. Không có tinh bột được tạo ra, hạt phấn không có khả năng sinh sản và cây không thể tái sinh. Tuy nhiên bằng cách nào và khi nào tinh bột thực sự tích tụ trong phấn hoa vẫn chưa rõ ràng.

Vấn đề năng lượng

Một bông lúa mạch hiển thị bao phấn mở được bao quanh bởi các hạt phấn đã phóng thích. Nghiên cứu hiện tại đã phát hiện ra rằng phấn hoa lúa mạch sử dụng hormone auxin để kiểm soát việc sản xuất tinh bột, một đặc điểm thiết yếu của hạt phấn ngũ cốc. Hình ảnh được chụp qua kính hiển vi điện tử bởi nhiếp ảnh gia Rob Kesseler (2018) như một “Đại diện khoa học cho một linh hồn lương thực đương đại (corn dolly)”.

Với tất cả các khối xây dựng để sản xuất tinh bột xuất phát từ cây mẹ, việc tạo ra tinh bột vẫn là một câu hỏi về năng lượng là yếu tố hạn chế. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã xác định auxin là hormone thiết yếu để thúc đẩy dòng năng lượng trong quá trình trưởng thành của hạt phấn lúa mạch. Auxin được yêu cầu để tăng sản lượng của các gen và con đường tạo ra năng lượng dưới dạng ATP, Adenosine triphosphate, đơn vị phân tử hiện trạng cho các trao đổi năng lượng trong tế bào. Do đó, sự hiện diện của auxin hoạt động dẫn đến sự gia tăng các con đường sản xuất năng lượng dẫn đến tích tụ nhiều tinh bột trong phấn hoa.

Điều đáng chú ý là bằng cách sử dụng các công nghệ di truyền phân tử tiên tiến, nhóm các nhà khoa học đã phát hiện ra phấn hoa lúa mạch có thể tự sản xuất ra auxin, độc lập với cây mẹ. Họ đã xác định được một loại enzyme đặc hiệu cho phấn hoa, đó là HvYUCCA4, enzyme này chịu trách nhiệm cho bước cuối cùng của quá trình tổng hợp auxin. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một cây đột biến được gọi là di truyền bất dục đực 38 (msg38), nơi HvYUCCA4 không có chức năng và phấn hoa không thể tạo ra auxin và lưu trữ tinh bột. Kết quả là hạt phấn của cây msg38 không có khả năng sinh sản. Với sự giúp đỡ của đột biến này, nhóm nghiên cứu đã hiểu sâu hơn về quá trình thiết lập tinh bột rất phức tạp, nhạy cảm với thời gian. Để đảm bảo sự phát triển thành công của hạt phấn, quá trình sản xuất tinh bột cần phải bắt đầu tại một thời điểm cụ thể để hoàn thành ngay trước khi hạt phấn được giải phóng khỏi bao phấn, cơ quan sản xuất và phân tán phấn hoa. Auxin là một tín hiệu điều phối thời gian chính xác của những sự kiện này.

Tác động đối với nông nghiệp

Kết quả nghiên cứu nhấn mạnh sự hiểu biết sâu sắc về sinh học cây trồng sẽ cho phép các ứng dụng rộng rãi cho tương lai của ngành nông nghiệp như thế nào. Một bước tiến quan trọng trong việc kiểm soát khả năng sinh sản ở cây lúa mạch và các cây trồng khác và sự phát triển các dòng lai mới.

Acosta cho biết: “Những khám phá của chúng tôi sẽ có tác động mạnh mẽ đến cả nghiên cứu thực vật cơ bản và nhân giống ngũ cốc ứng dụng. Phấn hoa lúa mạch sẽ là một hệ thống mô hình tuyệt vời để nghiên cứu sự tổng hợp và tín hiệu của auxin mà không có nhiều tác động toàn phần thường liên quan đến sự thiếu hụt auxin ở các cây khác. Chức năng rất cụ thể của HvYUC4 trong sự phát triển phấn hoa lúa mạch ngay lập tức gợi ý sự ức chế hóa học của loại enzym đặc biệt này như một phương pháp để kiểm soát khả năng thụ tinh ở cây ngũ cốc, một chiến lược như vậy sẽ cho phép sản xuất hạt giống lai quy mô lớn giữa nhiều cặp bố mẹ, giấc mơ của nhà lai tạo vẫn chưa thành hiện thực”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Viện Max Planck.