Khám phá gen mới hỗ trợ chọn tạo giống cây trồng thích ứng khí hậu

Khám phá gen mới hỗ trợ chọn tạo giống cây trồng thích ứng khí hậu 

Các nhà nghiên cứu lần đầu tiên đã tiết lộ cách thức một gen quan trọng trong thực vật cho phép chúng sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, cho phép chúng phát triển nhiều rễ hơn và thu nhận được nhiều nước và chất dinh dưỡng hơn.

Một nhóm các nhà khoa học thực vật quốc tế do Đại học Penn State dẫn đầu và phối hợp với Đại học Nottingham đã phát hiện ra gen điều hòa mới này (được gọi là bHLH121) cho phép rễ cây ngô thu nhận được nhiều nước và chất dinh dưỡng hơn. Những phát hiện đã được công bố trong Proceedings of the National Academy of Science.

Gen này kiểm soát sự hình thành các khoảng không khí giữa các mô sống của rễ (được gọi là khí mô vỏ rễ). Việc thay thế một tỷ lệ lớn các tế bào rễ bằng các khoảng không giúp cây trồng tiết kiệm được rất nhiều năng lượng cần thiết để nuôi tất cả các tế bào rễ này. Điều này làm cho quá trình trao đổi chất của rễ trở nên hiệu quả hơn, cho phép chúng sử dụng các nguồn tài nguyên tiết kiệm được để hình thành nhiều rễ hơn và khám phá đất hiệu quả hơn, đồng thời thu được nhiều nước và chất dinh dưỡng hơn.

Các nhà nghiên cứu đề xuất phát hiện này có thể dẫn đến việc chọn tạo giống các loại cây trồng có thể chịu được hạn hán và điều kiện đất có hàm lượng đạm thấp, đồng thời giảm bớt tình trạng mất an ninh lương thực toàn cầu.

Rahul Bhosale, phó giáo sư về Bộ gen Chức năng Cây trồng từ Trường Khoa học Sinh học cho biết: "Việc xác định gen này và cách thức hoạt động của nó sẽ cho phép chúng tôi tạo ra các loại cây trồng dẻo dai hơn, có thể chịu được các điều kiện bất thuận về nước và dinh dưỡng do biến đổi khí hậu gây ra".

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các công cụ hình ảnh sắc bén được phát triển trong nghiên cứu trước đây tại Penn State để đo nhanh các tế bào trong hàng nghìn rễ. Một kỹ thuật hình ảnh được gọi là Chụp cắt lớp Laser Ablation rất quan trọng đối với phương pháp này. Phương pháp hiện đại này hiện cũng có sẵn tại Đại học Nottingham.

Hannah Schneider, phó giáo sư Sinh lý học Cây trồng tại Đại học & Nghiên cứu Wageningen, Hà Lan cho biết: "Chúng tôi lần đầu tiên thực hiện các thí nghiệm đồng ruộng trong nghiên cứu này bắt đầu từ năm 2010, trồng hơn 500 dòng ngô tại các địa điểm ở Pennsylvania, Arizona, Wisconsin và Nam Châu Phi. Tôi đã làm việc ở tất cả những địa điểm đó. Chúng tôi đã thấy bằng chứng xác định được một gen liên quan đến khí mô vỏ não rễ".

Nghiên cứu này cho thấy rằng các dòng ngô đột biến thiếu gen bHLH121 cho thấy sự hình thành khoảng trống ở rễ bị giảm. Ngược lại, biểu hiện quá mức bHLH121 gây ra nhiều không gian hình thành hơn.

Việc mô tả đặc điểm của các dòng này trong điều kiện lượng nước và đạm dưới mức tối ưu ở nhiều địa điểm cho thấy gen bHLH121 cần thiết cho sự hình thành khoảng không khí ở rễ và cung cấp một công cụ mới cho các nhà chọn tạo giống cây trồng để chọn các giống có khả năng cải thiện việc hấp thu dinh dưỡng đất và do đó cho năng suất trong các điều kiện dưới mức tối ưu.

Giáo sư Jonathan Lynch, trưởng nhóm nghiên cứu tại Penn State cho biết: “Những phát hiện này là kết quả của nhiều người tại Penn State và hơn thế nữa là các cộng tác viên làm việc trong nhiều năm qua. Chúng tôi đã phát hiện ra chức năng của đặc điểm aerenchyma và sau đó là gen liên quan đến nó và aerenchyma ra đời nhờ các công nghệ đã được phát minh ở đây tại Penn State, chẳng hạn như Shovelomics - đào sâu vào lĩnh vực này về giải phẫu và Chụp cắt lớp Laser Ablation Đường ống dẫn. Chúng tôi tập hợp tất cả những thứ đó lại với nhau trong công trình này”.

Lynch cho biết kết quả rất có ý nghĩa, bởi vì việc tìm ra một gen đằng sau một đặc điểm quan trọng sẽ giúp thực vật có khả năng chịu hạn tốt hơn và hấp thụ đạm và lân tốt hơn sẽ xuất hiện rất nhiều trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

Ông cho biết: “Đó là những phẩm chất cực kỳ quan trọng kể cả ở Hoa Kỳ và trên toàn thế giới. Hạn hán là rủi ro lớn nhất đối với người trồng ngô và đang trở nên tồi tệ hơn cùng với biến đổi khí hậu và đạm là chi phí lớn nhất để trồng ngô, từ cả góc độ tài chính và môi trường. Việc lai tạo các dòng ngô hiệu quả hơn trong việc thu gom chất dinh dưỡng sẽ là một bước phát triển lớn”.

  

Xác định locus đột biến liên quan đến khí mô vỏ rễ ở rễ ngô. (A) Hình ảnh bề mặt cắt ngang của chân răng được chụp bằng cắt lớp cắt bỏ bằng laser (LAT). (B) Các kiểu hình giải phẫu gốc được định lượng bằng phần mềm RootScan. (C) Sơ đồ Manhattan về kết quả GWAS đối với aerenchyma vỏ não. Ngưỡng ý nghĩa trên toàn bộ nhiễm sắc thể (đường nằm ngang) được đặt bằng phương pháp M đơn giản (−log10p = 5,32). Các SNP quan trọng nằm trong mô hình gen GRMZM2G083504 (ZmbHLH121) mã hóa yếu tố phiên mã ZmbHLH121. (D) Biểu hiện tương đối của ZmbHLH121 trong tấm bia và vỏ của rễ chính từ cây ngô 3 tuổi. (Thanh tỷ lệ, 100µm.).