Tìm ra cách thức rễ cây chống chịu hàm lượng sắt cao

Sắt rất cần thiết cho cây phát triển, nhưng với lượng mưa lớn và độ thoáng khí kém, nhiều loại đất chua trở nên độc hại do có quá nhiều sắt. Ở các quốc gia ở Tây Phi và các nước nhiệt đới châu Á có mùa ngập nước, nồng độ sắt độc hại có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng đối với các loại thực phẩm chính như gạo.
 

Mặc dù có nhiều nỗ lực trong hai thập kỷ qua để khám phá ra các gen liên quan khả năng chống chịu sắt, nhưng vẫn khó tìm ra cho đến thời gian gần đây. Giờ đây, các nhà khoa học của Salk đã phát hiện ra bộ điều chỉnh di truyền quan trọng về khả năng chống chịu sắt, một gen có tên là GSNOR, có thể dẫn đến sự phát triển của các loài cây trồng tạo ra năng suất cao hơn trong đất dư thừa sắt.
 

“Đây là lần đầu tiên một gen và các biến dị tự nhiên của nó được xác định đối với tính chống chịu sắt”, Phó giáo sư Wolfgang Busch, tác giả chính của bài báo và là thành viên của Phòng thí nghiệm sinh học phân tử và tế bào thực vật cũng như Phòng Sinh học tích hợp của Salk nói. “Công trình này rất thú vị bởi vì bây giờ chúng tôi hiểu làm thế nào thực vật có thể phát triển trong các điều kiện có stress, chẳng hạn như hàm lượng sắt cao, có thể giúp chúng tôi tạo ra các loại cây trồng chống chịu stress hơn”.
 

Trong các loại cây như lúa, nồng độ sắt trong đất tăng cao gây hại trực tiếp đến tế bào bằng cách gây hại đến chất béo và protein, làm giảm khả năng phát triển của rễ. Tuy nhiên, một số cây trồng dường như có khả năng chịu đựng mức độ sắt cao và các nhà khoa học muốn hiểu tại sao như vậy.

Tác giả đầu tiên của công trình Baohai Li, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Busch cho biết: “Chúng tôi tin rằng có các cơ chế di truyền làm cơ sở cho sự chống chịu sắt này, nhưng không rõ gen nào chịu trách nhiệm”. “Để trả lời câu hỏi này, chúng tôi đã sử dụng khả năng biến dị tự nhiên của hàng trăm loại cây trồng khác nhau để nghiên cứu sự thích nghi di truyền với hàm lượng sắt cao”.
 

Các nhà khoa học đầu tiên đánh giá một số dòng của cây Arabidopsis thaliana, để quan sát xem liệu có sự biến dị tự nhiên trong tính chống chịu sắt hay không. Một số loài cây đã thể hiện khả năng chống chịu độc tính của sắt, vì vậy các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phương pháp được gọi là nghiên cứu kết hợp trên toàn bộ gen (GWAS) để xác định vị trí gen chịu trách nhiệm. Các phân tích của họ đã xác định gen GSNOR giữ vai trò then chốt làm cho cây và rễ phát triển trong môi trường quá thừa sắt.

Các nhà nghiên cứu cũng phát hiện ra rằng cơ chế chống chịu sắt làm họ ngạc nhiên, liên quan đến hoạt động của oxit nitric, một phân tử khí với nhiều vai trò khác nhau trong cây bao gồm phản ứng với stress. Nồng độ oxit nitric cao gây ra stress tế bào và làm suy yếu khả năng chịu đựng của rễ cây đối với nồng độ sắt tăng cao. Điều này xảy ra khi cây không có gen GSNOR chức năng. GSNOR có thể đóng vai trò chính trong chuyển hóa oxit nitric và điều chỉnh khả năng của cây trồng đối phó với stress và tổn thương tế bào. Cơ chế oxit nitric và gen GSNOR này cũng ảnh hưởng đến khả năng chống chịu sắt ở các loài cây trồng khác, chẳng hạn như lúa (Oryza sativa) và cây họ đậu (Lotus japonicus), cho thấy rằng gen này và các hoạt động của nó có thể rất quan trọng ở nhiều loài cây, nếu không nói là tất cả các loài cây.
 

Gen GSNOR là cần thiết cho khả năng chịu sắt cao trong toàn bộ cây. Độc tính sắt dẫn đến suy yếu sự phát triển của lá và rễ. Thực vật (Arabidopsis thaliana) với gen chức năng (ba cây con bên trái) phát triển tốt hơn với hàm lượng sắt cao hơn thực vật không có gen GSNOR hoạt động (ba cây con bên phải). Ảnh: Salk Institute.

Busch nói “Bằng cách xác định gen này và các biến thể di truyền của nó tạo ra khả năng chống chịu sắt, chúng tôi hy vọng sẽ giúp cây trồng như lúa, trở nên chống chịu sắt hơn ở những vùng có sắt ở mức độc hại”. “Từ lúc chúng tôi đã phát hiện ra gen này và cơ chế này được bảo tồn ở nhiều loài cây trồng, chúng tôi nghi ngờ chúng có thể quan trọng đối với tính chống chịu sắt ở tất cả các thực vật bậc cao. Ngoài ra, gen này và cơ chế này cũng có thể đóng vai trò ở người và có thể dẫn đến các phương pháp điều trị mới cho các điều kiện liên quan đến quá nhiều sắt”.
 

Bước tiếp theo, Li sẽ bắt đầu với phòng thí nghiệm của riêng mình tại Đại học Chiết Giang, Trung Quốc, lên kế hoạch xác định các biến dị di truyền liên quan trên cây lúa và quan sát xem liệu các biến dị chống chịu sắt có thể làm tăng năng suất cây trồng trên các cánh đồng Trung Quốc bị ngập lụt hay không.

Nguyễn Tiến Hải theo Sciencedaily.