Yếu tố di truyền gây ra việc giảm protein ở cây ngô được canh tác

 Yếu tố di truyền gây ra việc giảm protein ở cây ngô được canh tác 

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo genengnews.

 Tổng lượng protein ở trong hạt có ở các giống ngô thuần và ngô lai hiện đại thấp hơn ba lần so với tổ tiên hoang dã của nó. Nguyên nhân vẫn chưa được biết cho đến bây giờ.

Một gen trên nhiễm sắc thể số 9 có tên là THP9 (teosinte high protein9) mã hóa một loại enzyme quan trọng trong quá trình chuyển hóa nitơ (asparagine synthetase 4) được biểu hiện cao ở teosinte, tuy nhiên không phải ở một dòng ngô hiện đại (B73), các nhà khoa học tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) đã công bố điều này trên tạp chí Nature vào ngày 17 tháng 11 năm 2022.

TS. Wu Yongrui, nhà nghiên cứu tại Trung tâm Tài năng về Khoa học Thực vật Phân tử CAS đã cho biết: “Đây có thể là một trong những yếu tố dẫn đến sự khác biệt trong quá trình đồng hóa nitơ. Axit amin là chất nền thiết yếu để tổng hợp protein và mức độ của chúng trong cây trồng bị ảnh hưởng bởi lượng nitơ sẵn có trong đất và hiệu quả sử dụng nitơ của cây trồng”.

Trong B73, việc xóa đoạn không mã hóa nội gen (intron) dẫn đến việc nối sai THP9 mRNA.

Yongrui cho biết: “Do giống ngô hiện đại được thuần hóa từ teosinte, chúng tôi đã lập luận rằng việc mô tả đặc điểm của các gen chịu trách nhiệm về đặc điểm protein cao ở teosinte có thể tiết lộ một tập hợp QTL [locus tính trạng định lượng] đa dạng hơn so với những gen được tìm thấy trong quần thể ngô lai gần đây. Kết quả cũng có thể giúp chúng tôi hiểu lý do giảm hàm lượng protein trong hạt trong quá trình thuần hóa ngô”.

Các nhà khảo sát đã sử dụng một phương pháp có tên là “trio binning” để ghép chuỗi DNA kiểu gen đơn bội của teosinte lại với nhau - nhóm các alen được thừa hưởng từ một cha hoặc mẹ. Các biến thể trong các alen gây khó khăn cho việc lắp ráp các trình tự kiểu gen đơn bội từ bộ gen lưỡng bội. Trio binning đơn giản hóa quá trình lắp ráp kiểu gen đơn bội bằng cách giải quyết các biến thể alen trước khi lắp ráp. Khi các nhà nghiên cứu đưa gen THP9 (THP9-T) của teosinte vào bộ gen B73, nó đã làm tăng đáng kể hàm lượng protein hạt trong dòng tự nhiên chuyển gen. Bằng cách lai ngược dòng ngô thuần chủng hiện đại và giống lai - một quá trình được gọi là xâm nhập mà các nhà nghiên cứu đã đưa THP9 của teosinte vào các dòng ngô hiện đại. Điều này làm tăng đáng kể tổng hàm lượng protein trong hạt ngô cũng như các axit amin tự do trong toàn bộ cây, đặc biệt là trong axit amin asparagine. Điều quan trọng là sự gia tăng hàm lượng protein không ảnh hưởng đến năng suất cây trồng.

 

Cây ngô lai chứa alen THP9-T có thể cải thiện hàm lượng protein trong hạt và hiệu quả sử dụng nitơ trong nhân giống ngô. Nguồn: Hunag Y, Nature, 2022.

 

Các nhà nghiên cứu tin rằng bằng cách tăng hiệu quả sử dụng nitơ của cây trồng, THP9 thúc đẩy năng suất cây trồng cao trong điều kiện nitơ thấp. Những kết quả trên đưa ra những lộ trình mới để tăng hàm lượng protein trong hạt thông qua việc lai tạo các giống ngô. Phương pháp này có thể quan trọng đối với việc trồng ngô trong điều kiện hạn chế về nitơ và đảm bảo an ninh lương thực.

Yongrui cho biết: “Có áp lực về kinh tế và môi trường để duy trì giống ngô năng suất cao trong khi giảm lượng nitơ bón vào đất. Vì vậy, điều quan trọng là xác định các yếu tố di truyền làm tăng hiệu quả sử dụng nitơ”.

Trong khi các giống ngô hiện đại chứa 5–10% protein, teosinte chứa 20–30% protein trong hạt. Sự sụt giảm này trong protein hạt ở ngô là kết quả từ quá trình nhân giống cây trồng trong hàng thiên niên kỷ đã ưu tiên các khía cạnh khác như hàm lượng tinh bột hơn hàm lượng protein và hương vị. Việc sử dụng phân đạm càng làm giảm tầm quan trọng của hàm lượng nitơ trong hạt giống.

Yongrui cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy giá trị có thể có của các giống lai chứa alen THP9-T, mặc dù các thử nghiệm đồng ruộng lớn hơn ở nhiều vị trí địa lý sẽ cần thiết để thiết lập đầy đủ tiềm năng cải thiện hàm lượng protein hạt và hiệu quả sử dụng nitơ trong nhân giống ngô”.