Các nhà khoa học tại Viện Salk đã phát hiện ra một gene giúp tăng cường khả năng chịu đựng kẽm của thực vật, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc canh tác cây trồng chống chịu kim loại nặng.

Hoạt động của con người không chỉ ảnh hưởng đến bầu khí quyển mà còn tác động sâu vào đất đai. Việc sử dụng phân bón và bùn thải quá mức có thể làm tăng nồng độ kim loại nặng trong đất nông nghiệp, nơi các cây trồng quan trọng được canh tác. Một trong những kim loại nặng này là kẽm, một vi chất dinh dưỡng cần thiết cho sức khỏe của thực vật và động vật. Tuy nhiên, khi ở mức độ cao, kẽm có thể gây hại nghiêm trọng cho các loài thực vật nhạy cảm.

Mầm Lotus japonicus, loại hoang dã (bên trái) và loại đồng dạng TBR (bên phải), trong mức kẽm bình thường (trên) và mức kẽm cao (dưới).

Một số loài thực vật có khả năng chịu đựng kẽm tự nhiên cao hơn, cho phép chúng phát triển trong điều kiện độc hại. Tuy nhiên, trước đây, cơ chế sinh học đằng sau điều này vẫn chưa rõ ràng. Trong một nghiên cứu mới, các nhà khoa học tại Viện Salk đã xác định được một gene giúp thực vật quản lý lượng kẽm dư thừa trong đất.

Các phát hiện, được công bố trên tạp chí Nature Communications vào ngày 11 tháng 7 năm 2024, tiết lộ rằng thực vật chịu đựng mức kẽm cao bằng cách giữ nó trong thành tế bào rễ, một quá trình được hỗ trợ bởi gene trichome birefringence (TBR). Thông tin này có thể được sử dụng để phát triển và trồng các loại cây trồng có khả năng chống chịu với ô nhiễm đất, một mục tiêu chính của Salk’s Harnessing Plants Initiative.

"Cấu trúc của thành tế bào giống như một giàn giáo có thể lưu trữ kẽm cách xa phần còn lại của cây và nếu gene TBR hoạt động, thực vật có thể lưu trữ nhiều kẽm hơn", tác giả chính Wolfgang Busch, giáo sư, giám đốc điều hành của Salk’s Harnessing Plants Initiative và Chủ tịch Hess về Khoa học Thực vật tại Salk giải thích. "Điều thú vị về quá trình đơn giản này là nó có thể là sự khác biệt giữa sự sống và cái chết đối với một cây trồng tiếp xúc với điều kiện độc hại".

Khả năng lưu trữ kẽm của thành tế bào phụ thuộc nhiều vào một quá trình gọi là pectin methylesterification - một quá trình thay đổi cấu trúc của các phân tử pectin xốp bên trong thành tế bào để chúng có thể hấp thụ nhiều kẽm hơn. Để hiểu rõ hơn về điều này, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một nghiên cứu liên kết toàn bộ hệ gen để xác định các gene thực vật liên quan đến việc tăng cường pectin methylesterification.

"Chúng tôi phát hiện rằng các biến thể allele của gene TBR ảnh hưởng đến sự thay đổi trong quá trình pectin methylesterification và giúp xác định khả năng chịu đựng mức kẽm cao hơn của thực vật", Kaizhen Zhong, tác giả chính cho biết. "Biết được điều này rất quan trọng vì chúng tôi hiện có tiềm năng đưa gen này vào các loài thực vật khác hoặc kích hoạt gene này trong các loài thực vật khác để tạo ra các loại cây trồng có khả năng chống chịu tốt hơn với các thay đổi môi trường".

Các thí nghiệm ban đầu này được thực hiện trên Arabidopsis thaliana, một loài thực vật có hoa nhỏ mà các nhà khoa học sử dụng làm cây mô hình để nghiên cứu sinh học thực vật. Bước tiếp theo của các nhà nghiên cứu là xem liệu gene này có hoạt động tương tự trong các loài thực vật khác, bao gồm các loài cây trồng quan trọng hay Không.

Để làm điều này, các nhà khoa học đã đặt Oryza sativa, một giống lúa phổ biến và là cây lương thực chính cho hàng tỷ người, vào đất có mức kẽm độc hại. Họ đã so sánh cụ thể hai phiên bản của Oryza - một phiên bản có gene TBR hoạt động và một phiên bản không có - và theo dõi sự phát triển của rễ như một thước đo khả năng chịu đựng kẽm.

Cây lúa có gene TBR hoạt động đã phát triển mạnh mẽ, xác nhận rằng cơ chế sống sót này đối với độc tính kẽm được bảo tồn trên nhiều loài thực vật. Thử nghiệm tương tự cũng được thực hiện với cây họ đậu Lotus japonicus, cho kết quả tương tự.

"Điều thú vị là dữ liệu của chúng tôi cho thấy hiện tượng này được bảo tồn trên tất cả các loài thực vật có hoa, chiếm phần lớn các loài thực vật và cây lương thực", Busch nói. "Phát hiện này có thể được áp dụng để tăng cường khả năng chống chịu của thực vật đối với mức kẽm độc hại và giúp hỗ trợ nguồn cung cấp lương thực trong tương lai".

Với dân số thế giới dự kiến sẽ tăng lên đến 11 tỷ người vào năm 2080 và sự gia tăng của độc tính kẽm trong đất của chúng ta, điều quan trọng là phải tiến hành phát triển các loại cây trồng có thể chịu đựng được các điều kiện này. Nghiên cứu này là một bước quan trọng để đạt được mục tiêu đó.

Bùi Anh Xuân theo Viện Salk.