Xác định gen thúc đẩy sự phát triển góc của rễ cây ngô

Hình ảnh về cấu trúc rễ trên đồng ruộng cho thấy kiểu gen ngô đột biến cipk15 có góc dốc hơn đáng kể so với kiểu gen kiểu dại. Nguồn: Hannah Schneider/Penn State.

Theo nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế do Đại học Penn State dẫn đầu, việc phát hiện ra gen quy định góc phát triển của rễ ở ngô là một công cụ mới cho phép nhân giống các loại cây trồng ăn rễ sâu hơn với khả năng hấp thụ nitơ được nâng cao.

Gen được gọi là ZmCIPK15, một biệt danh cho biết nó nằm ở đâu trong bộ gen và cách thức nó hoạt động, được tìm thấy bị thiếu trong một dòng ngô đột biến xảy ra một cách tự nhiên, việc thiếu gen này đã làm rễ phát triển ở các góc dốc hơn khiến cho chúng đi sâu hơn vào đất. Các nhà nghiên cứu đã xác định gen bằng cách sử dụng một kỹ thuật gọi là nghiên cứu liên kết toàn bộ gen, bao gồm việc phân tích thống kê tỉ mỉ về một tập hợp các biến thể di truyền trên toàn bộ bộ gen trong các dòng thực vật khác nhau để xem gen nào có liên quan đến một tính trạng.

Việc xác định được gen kiểm soát góc độ phát triển của rễ ngô, ảnh hưởng đến độ sâu mà rễ ăn vào là rất quan trọng vì rễ sâu hơn có khả năng lấy nitơ cao hơn, trưởng nhóm nghiên cứu Jonathan Lynch, giáo sư khoa học thực vật tại Penn State, trường Đại học Khoa học Nông nghiệp cho biết. Ông đã nhận định ngô với khả năng hấp thụ nitơ được cải thiện có ý nghĩa đối với môi trường, nền kinh tế và an ninh lương thực của thế giới.

"Ngô là cây trồng quan trọng nhất trên thế giới. Ở các nước giàu có như Hoa Kỳ, chi phí năng lượng, kinh tế và môi trường lớn nhất để trồng ngô là phân đạm", Lynch cho biết. "Và hơn một nửa lượng phân đạm bón cho ngô thậm chí không bao giờ được sử dụng hết. Nó chỉ bị lãng phí, được đưa sâu hơn vào đất, mà ở đó gây ô nhiễm nước ngầm và một số trong số đó đi vào bầu khí quyển dưới dạng khí nhà kính, oxit nitơ. Đó là một vấn đề lớn".

Ngược lại, ở các khu vực như châu Phi, nơi mà người dân phụ thuộc nhiều hơn vào ngô để làm thực phẩm, đất thiếu nitơ và nông dân không đủ tiền mua phân bón, nếu phân bón có sẵn, Lynch đã nói thêm. Sản lượng ngô ở châu Phi chỉ bằng một phần nhỏ so với ở Hoa Kỳ. Bộ rễ ngô ăn sâu hơn sẽ giúp các nước nghèo thu hoạch nhiều lương thực hơn với lượng nitơ hạn chế mà họ có.

Để tìm ra gen quy định góc phát triển của rễ, các nhà nghiên cứu tại Penn State đã sàng lọc gần 500 dòng ngô trong 4 năm ở Nam Phi. Các thí nghiệm đồng ruộng tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Russell E. Larson và các thí nghiệm trong nhà kính tại khuôn viên Công viên Đại học đã được thực hiện để xác nhận kiểu hình của các cây đột biến và cây dại cũng như kiểm tra chức năng của những thay đổi trong góc rễ đối với việc thu giữ nitơ.

Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự thay đổi lớn về góc độ rễ chân kiềng của cây ngô, từ nông đến sâu. Góc phát triển của rễ dốc hơn đã cải thiện rõ rệt việc thu giữ nitơ. Nguồn: Hannah Schneider/Penn State.

Rễ của các cây được chọn đã được nhổ lên và đo đạc, xác nhận tầm quan trọng về chức năng của gen ZmCIPK15. Hannah Schneider, cựu nghiên cứu sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệm Lynch, hiện là giảng viên tại Đại học Wageningen ở Hà Lan, người dẫn đầu nghiên cứu, cho biết nó gây ra sự thay đổi gần đúng 10 độ trong góc rễ.

Cô nói: “Cùng với việc tăng cường khả năng thu nhận nitơ sâu, chúng tôi đã mong đợi để xem góc rễ tăng trưởng hướng sâu của giống ngô đột biến cipk15 có thể dẫn đến hiệu suất tốt hơn trong điều kiện khô hạn, nhưng trong các thí nghiệm của chúng tôi, nó không giúp cải thiện nhu cầu nước của cây. Tuy nhiên, đó có thể là do chúng tôi gặp khó khăn trong việc thực hiện với điều kiện hạn hán ở Pennsylvania".

Trong những phát hiện gần đây được công bố trên Tạp chí Plant, Cell and Environment, các nhà nghiên cứu đã xác định góc phát triển của rễ dốc hơn đã cải thiện rõ rệt việc thu giữ nitơ. Trong các nghiên cứu thực địa trong điều kiện sẵn có nitơ dưới mức tối ưu, thể đột biến cipk15 có góc sinh trưởng dốc hơn có sinh khối thân lớn hơn 18% và tích lũy nitơ ở thân lớn hơn 29% so với loại hoang dã, sau 70 ngày sinh trưởng.

Lynch đã chỉ ra rằng kết quả của cuộc nghiên cứu đang mở rộng tầm mắt và thừa nhận rằng ông đã rất ngạc nhiên trước kết quả này. Ông đã giải thích rằng điều này khá bất thường, khi bạn đập bỏ thứ gì đó, cây sẽ tốt hơn. Vì thực vật giống như những cỗ máy được tinh chỉnh.

Ông cho biết: “Bạn lấy một gen ra khỏi chiếc máy tinh chỉnh đó, bạn sẽ không mong đợi nó hoạt động tốt hơn, nhưng điều này cho thấy rằng nếu bạn loại bỏ gen đơn, bạn sẽ có thể có rễ ăn sâu hơn và khả năng thu giữ nitơ tốt hơn. Đối với Mỹ, đây là một cách để giảm chi phí lớn và tác động đến môi trường từ việc sản xuất ngô. Đối với châu Phi, khám phá này có thể dẫn đến năng suất ngô cao hơn, giúp giảm thiểu tình trạng mất an ninh lương thực. Và khám phá này có thể hỗ trợ việc phát hiện ra các gen quy định góc rễ dốc hơn cho các cây ngũ cốc khác, đặc biệt là những cây có liên quan mật thiết đến ngô, như lúa miến và kê trân châu".

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Phys.org