CÂY NGÔ VIỆT NAM

Monday, July 24, 2023

Nghiên cứu mới cho thấy hạn hán ảnh hưởng đến năng suất ngô như thế nào

Nghiên cứu mới cho thấy hạn hán ảnh hưởng đến năng suất ngô như thế nào

Một bắp ngô được tách vỏ sớm để lộ những râu ngô khi trổ hoa sớm. Hoa ngô độc đáo với mỗi hạt tạo ra từ một sợi râu ngô dài được thụ phấn. Nguồn: Tiến sỹ Raju Bheemanahalli.

 

Ngô là một loại cây trồng cổ điển của Mỹ. Được trồng lần đầu tiên ở Bắc Mỹ hàng ngàn năm trước, giờ đây nó phủ kín đất nông nghiệp của Mỹ từ bờ biển này sang bờ biển khác. Hoa Kỳ trồng nhiều ngô hơn bất kỳ quốc gia nào khác. Và ngô được sử dụng cho mọi thứ, từ khoai tây chiên đến thức ăn cho bò, đến nhiên liệu sinh học.

 

Nhưng giống như hầu hết các loại cây trồng, ngô đang phải đối mặt với nguy cơ mới – biến đổi khí hậu. Biến đổi khí hậu không chỉ làm cho thế giới ấm hơn. Nó cũng làm thay đổi thời điểm mưa và lượng mưa. Điều này khiến nhiều nông dân trồng ngô có nguy cơ phải đối mặt với hạn hán trong một giai đoạn của mùa vụ trồng trọt.

 

Thật không may, không phải tất cả hạn hán đều được tạo ra đều nhau. Nếu hạn xuất hiện sai thời điểm, toàn bộ cánh đồng có thể bị thiệt hại.

 

“Hạn hán nghiêm trọng trong giai đoạn ngô sinh trưởng sinh thực có thể làm cho mất mùa hoàn toàn. Vì vậy, hiểu được phản ứng của ngô đối với hạn hán và quản lý phù hợp là rất quan trọng để trồng ngô thành công”, Ranadheer Vennam, sinh viên tốt nghiệp khoa Khoa học Đất và Thực vật tại Đại học Bang Mississippi cho biết.

 

Kích thước lõi ngô giảm khi tăng hạn hán, dấu hiệu nghiêm trọng làm cho năng suất thấp hơn. Nguồn: Tiến sỹ Raju Bheemanahalli.

 

Vennam nghiên cứu cách thức ngô phản ứng với hạn. Trong nghiên cứu mới nhất của mình, Vennam và nhóm phòng thí nghiệm của ông đã xem xét mức độ nhạy cảm của ngô ra hoa đối với hạn và ảnh hưởng của nó đối với người nông dân.

 

Vennam đã trình bày công trình của mình tại cuộc họp thường niên của Hiệp hội Nông nghiệp Hoa Kỳ năm 2022, được tổ chức tại Baltimore, Maryland.

 

Sự ra hoa của ngô khá phức tạp. Mỗi noãn riêng lẻ tạo ra một sợi râu ngô rất dài, sợi râu ngô này phải thu giữ phấn hoa từ các bông cờ ở phía trên cây để tạo ra hạt. Điều này đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng. Tiến sỹ Raju Bheemanahalli (người giám sát của Vennam) cho biết: “Việc sinh sản thành công ở ngô phụ thuộc vào thời điểm. Chỉ mất chưa đầy hai tuần để ngô thụ phấn, vốn cực kỳ nhạy cảm với các tác nhân gây căng thẳng, bao gồm hạn hán”.

 

 

Khi gặp hạn hán nghiêm trọng, sinh khối râu ngô ít hơn nhiều so với các trái ngô khỏe mạnh. Việc phun râu phải đúng thời điểm. Hạn hán đến vào thời điểm quan trọng này, có thể ảnh hưởng tiêu cực đến năng suất. Nguồn: Tiến sỹ Raju Bheemanahalli.

 

Để xác định tác động của hạn hán đối với quá trình này, nhóm của Vennam đã cho cây ngô tiếp xúc với hạn các mức độ khác nhau trong quá trình ra hoa. Họ đã tiến hành thử nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thực vật R. R. Foil, Đại học Bang Mississippi. Trong thời gian ra hoa hai tuần, các nhà nghiên cứu đã giảm lượng nước mà mỗi cây nhận được. Trong thử nghiệm khắc nghiệt nhất, cây chỉ nhận được 20% lượng nước cần thiết.

 

Để theo dõi hạn ảnh hưởng đến cây ngô như thế nào, các nhà nghiên cứu đã đo lượng râu ngô phát triển mỗi ngày. Họ cũng đo năng suất cuối cùng và các tính trạng chất lượng quan trọng của hạt, chẳng hạn như lượng tinh bột và protein của chúng. Nghiên cứu của Vennam cũng theo dõi các khía cạnh quan trọng với sự phát triển của cây, chẳng hạn như hàm lượng diệp lục tố trong lá.

 

Khi bị hạn hán nghiêm trọng, các trái ngô tạo ra sinh khối râu ngô ít hơn nhiều so với các trái ngô khỏe mạnh. Số lượng râu ngô cũng thấp hơn khoảng một phần ba. Không có đủ râu ngô khỏe, bắp ngô không thể cho nhiều hạt. Vennam thấy rằng năng suất giảm 90% trong nghiệm thức hạn hán nghiêm trọng. Sự sụt giảm năng suất này là do sự sụt giảm nghiêm trọng cả về số lượng hạt và trọng lượng của mỗi hạt.

 

Như một phần của nghiên cứu trong thời gian ra hoa kéo dài hai tuần, các nhà nghiên cứu đã giảm lượng nước mà mỗi cây nhận được. Trong điều kiện hạn nặng (hình bên phải), chất lượng lõi ngô kém. Cả số lượng và trọng lượng của hạt đều giảm đáng kể. Nguồn: Ranadheer Vennam.

 

Để so sánh, các nhà nghiên cứu cũng đã thử nghiệm căng thẳng dài một tháng sau khi kết thúc ra hoa. Mặc dù đợt hạn hán này kéo dài hơn gấp đôi vào giai đoạn hạn này, nhưng năng suất không bị ảnh hưởng nhiều. Bheemanahalli cho biết: “Điều này minh họa mức độ nhạy cảm của giai đoạn phát triển sinh thực đối với hạn hán và thời điểm xảy ra hạn hán cũng như cách hạn ảnh hưởng đến sản lượng ngô”.

 

Với thông tin thu được từ nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng làm cho cây ngô có khả năng chịu hạn tốt hơn. Bước tiếp theo là tìm ra gen di truyền của ngô có khả năng kiểm soát hạn tốt hơn một cách tự nhiên trong quá trình ra hoa. Nếu họ có thể thành công trong việc tìm ra những cây ngô chống chịu này hơn, các nhà di truyền có thể lai tạo những tính trạng này vào các giống ngô mà người nông dân muốn trồng. Kết quả có thể là các giống/giống ngô lai tốt hơn có thể thích nghi với khí hậu thay đổi. 

Một bắp ngô được tách vỏ sớm để lộ những râu ngô khi trổ hoa sớm. Hoa ngô độc đáo với mỗi hạt tạo ra từ một sợi râu ngô dài được thụ phấn. Nguồn: Tiến sỹ Raju Bheemanahalli.

 

Ngô là một loại cây trồng cổ điển của Mỹ. Được trồng lần đầu tiên ở Bắc Mỹ hàng ngàn năm trước, giờ đây nó phủ kín đất nông nghiệp của Mỹ từ bờ biển này sang bờ biển khác. Hoa Kỳ trồng nhiều ngô hơn bất kỳ quốc gia nào khác. Và ngô được sử dụng cho mọi thứ, từ khoai tây chiên đến thức ăn cho bò, đến nhiên liệu sinh học.

 

Nhưng giống như hầu hết các loại cây trồng, ngô đang phải đối mặt với nguy cơ mới – biến đổi khí hậu. Biến đổi khí hậu không chỉ làm cho thế giới ấm hơn. Nó cũng làm thay đổi thời điểm mưa và lượng mưa. Điều này khiến nhiều nông dân trồng ngô có nguy cơ phải đối mặt với hạn hán trong một giai đoạn của mùa vụ trồng trọt.

 

Thật không may, không phải tất cả hạn hán đều được tạo ra đều nhau. Nếu hạn xuất hiện sai thời điểm, toàn bộ cánh đồng có thể bị thiệt hại.

 

“Hạn hán nghiêm trọng trong giai đoạn ngô sinh trưởng sinh thực có thể làm cho mất mùa hoàn toàn. Vì vậy, hiểu được phản ứng của ngô đối với hạn hán và quản lý phù hợp là rất quan trọng để trồng ngô thành công”, Ranadheer Vennam, sinh viên tốt nghiệp khoa Khoa học Đất và Thực vật tại Đại học Bang Mississippi cho biết

 

Vennam nghiên cứu cách thức ngô phản ứng với hạn. Trong nghiên cứu mới nhất của mình, Vennam và nhóm phòng thí nghiệm của ông đã xem xét mức độ nhạy cảm của ngô ra hoa đối với hạn và ảnh hưởng của nó đối với người nông dân.

 

Vennam đã trình bày công trình của mình tại cuộc họp thường niên của Hiệp hội Nông nghiệp Hoa Kỳ năm 2022, được tổ chức tại Baltimore, Maryland.

 

Sự ra hoa của ngô khá phức tạp. Mỗi noãn riêng lẻ tạo ra một sợi râu ngô rất dài, sợi râu ngô này phải thu giữ phấn hoa từ các bông cờ ở phía trên cây để tạo ra hạt. Điều này đòi hỏi sự phối hợp nhịp nhàng. Tiến sỹ Raju Bheemanahalli (người giám sát của Vennam) cho biết: “Việc sinh sản thành công ở ngô phụ thuộc vào thời điểm. Chỉ mất chưa đầy hai tuần để ngô thụ phấn, vốn cực kỳ nhạy cảm với các tác nhân gây căng thẳng, bao gồm hạn hán”.

 

Để xác định tác động của hạn hán đối với quá trình này, nhóm của Vennam đã cho cây ngô tiếp xúc với hạn các mức độ khác nhau trong quá trình ra hoa. Họ đã tiến hành thử nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Thực vật R. R. Foil, Đại học Bang Mississippi. Trong thời gian ra hoa hai tuần, các nhà nghiên cứu đã giảm lượng nước mà mỗi cây nhận được. Trong thử nghiệm khắc nghiệt nhất, cây chỉ nhận được 20% lượng nước cần thiết.

 

Để theo dõi hạn ảnh hưởng đến cây ngô như thế nào, các nhà nghiên cứu đã đo lượng râu ngô phát triển mỗi ngày. Họ cũng đo năng suất cuối cùng và các tính trạng chất lượng quan trọng của hạt, chẳng hạn như lượng tinh bột và protein của chúng. Nghiên cứu của Vennam cũng theo dõi các khía cạnh quan trọng với sự phát triển của cây, chẳng hạn như hàm lượng diệp lục tố trong lá.

 

Khi bị hạn hán nghiêm trọng, các trái ngô tạo ra sinh khối râu ngô ít hơn nhiều so với các trái ngô khỏe mạnh. Số lượng râu ngô cũng thấp hơn khoảng một phần ba. Không có đủ râu ngô khỏe, bắp ngô không thể cho nhiều hạt. Vennam thấy rằng năng suất giảm 90% trong nghiệm thức hạn hán nghiêm trọng. Sự sụt giảm năng suất này là do sự sụt giảm nghiêm trọng cả về số lượng hạt và trọng lượng của mỗi hạt.

 

Như một phần của nghiên cứu trong thời gian ra hoa kéo dài hai tuần, các nhà nghiên cứu đã giảm lượng nước mà mỗi cây nhận được. Trong điều kiện hạn nặng (hình bên phải), chất lượng lõi ngô kém. Cả số lượng và trọng lượng của hạt đều giảm đáng kể. Nguồn: Ranadheer Vennam.

 

Để so sánh, các nhà nghiên cứu cũng đã thử nghiệm căng thẳng dài một tháng sau khi kết thúc ra hoa. Mặc dù đợt hạn hán này kéo dài hơn gấp đôi vào giai đoạn hạn này, nhưng năng suất không bị ảnh hưởng nhiều. Bheemanahalli cho biết: “Điều này minh họa mức độ nhạy cảm của giai đoạn phát triển sinh thực đối với hạn hán và thời điểm xảy ra hạn hán cũng như cách hạn ảnh hưởng đến sản lượng ngô”.

 

Với thông tin thu được từ nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng làm cho cây ngô có khả năng chịu hạn tốt hơn. Bước tiếp theo là tìm ra gen di truyền của ngô có khả năng kiểm soát hạn tốt hơn một cách tự nhiên trong quá trình ra hoa. Nếu họ có thể thành công trong việc tìm ra những cây ngô chống chịu này hơn, các nhà di truyền có thể lai tạo những tính trạng này vào các giống ngô mà người nông dân muốn trồng. Kết quả có thể là các giống/giống ngô lai tốt hơn có thể thích nghi với khí hậu thay đổi.

Phân tử ức chế R3-MYB đối với gen Mybr97, ứng cử viên của locus Anthocyanin3 của bắp

 Phân tử ức chế R3-MYB đối với gen Mybr97, ứng cử viên của locus Anthocyanin3 của bắp

Nguồn: Michael N. Paulsmeyer & John A. Juvik. 2023. R3-MYB repressor Mybr97 is a candidate gene associated with the Anthocyanin3 locus and enhanced anthocyanin accumulation in maize. Theoretical and Applied Genetics March 2023; vol. 136, Article number: 55 (2023)

Published: 13 March 2023

 

Anthocyanin3 ức chế chu trình anthocyanin và monolignol trong cây bắp. Kỹ thuật transposon-tagging, RNA-sequencing, và xét nghiệm GST-pulldown xác định được anthocyanin3 có thể là phân tử ức chế R3-MYB đối với gen Mybr97.

 

Anthocyanins là phân tử có màu sắc thu hút được sự chú ý nhiều năm gần đây do đặc điểm có lợi cho sức khỏe loài người và ứng dụng trong tạo chất colorants tự nhiên và chất nutraceuticals. Giống bắp tím đang được nghiên cứu nhiều nhất như một nguồn lợi kinh tế của anthocyanins. Gen anthocyanin3 (A3) là phân tử intensifier thể lặn của sắc tố anthocyanin trong cây bắp. Theo kết quả này, hàm lượng anthocyanin đã tăng lên gấp 100 lần trong cây có gen lặn a3. Hia phương pháp tiếp cận được sử dụng để khám phá ra gen ứng cử viên bao gồm đánh giá kiểu hình cây a3 intense purple. Thứ nhất, quân thể đánh dấu transposon quy mô rộng được tiến hành phát triển sự kết quả chèn đoạn Dissociation (Ds) ở gần gen Anthocyanin1. Người ta tạo ra de novo a3-m1::Ds mutant, và phân tử chèn đoạn transposon được tìm thấy định vị tại promoter của gen Mybr97, gen này biểu hiện đồng dạng với phân tử R3-MYB repressor CAPRICE trong cây mô hình Arabidopsis. Thứ hai, người ta tạo ra quần thể bulked segregant RNA-sequencing tìm thấy được những khác biệt của biểu hiện giữa quần thể của cây bắp green A3 và cây bắp purple a3. Tất cả gen tron sinh tổng hợp anthocyanin được định tính đề điều tiết theo kiểu “up”  trong cây bắp a3 bên cạnh nhiều gen liên quan đến chu trình monolignol.

 

Gen Mybr97 điều tiết theo kiểu “down” trong cây a3, kết quả cho thấy vai trò của nó là một regulator thụ động trong chu trình anthocyanin. Các gen biểu hiện có liên quan đến quang hợp bị giảm đi trong cây bắp a3 thông qua một cơ chế gì đó chưa biết rõ. Nhiều yếu tố phiên mã (TFs) và các gen có bản chất sinh tổng hợp cũng được điều tiết theo kiểu “up”, cần được nghiên cứu sâu hơn nữa. Gen Mybr97 có thể ức chế sinh tổng hợp anthocyanin bằng cách gắn kết với TFs có cấu trúc basic helix–loop helix như gen Booster1. Nhìn chung, gen Mybr97 hầu như chính là gen ứng cử viên của locus A3. A3 có ảnh hưởng khá sâu trong cây bắp và có nhiều ý nghĩa tốt phục vụ cho bảo vệ cây trồng, sức khỏe con người, cản xuất chất tạo màu thiên nhiên.

 

Xem https://link.springer.com/article/10.1007/s00122-023-04275-4

Nguồn cấu trúc protein bắp trong cơ sở dữ liệu hệ gen và di truyền cây bắp

 Nguồn cấu trúc protein bắp trong cơ sở dữ liệu hệ gen và di truyền cây bắp

Nguồn: Margaret R Woodhouse  , John L Portwood, Shatabdi Sen, Rita K Hayford, Jack M Gardiner , Ethalinda K Cannon, Lisa C Harper , Carson M Andorf. 2023. Maize Protein Structure Resources at the Maize Genetics and Genomics Database. Genetics; 2023 Feb 9; iyad016. doi: 10.1093/genetics/iyad016.

 

Cấu trúc phân tử protein đóng vai trò quan trọng trong tin sinh học, ví dụ như dự đoán chức năng gen hoặc minh chứng việc chú thi1vch di truyền mô hình gen. Tuy nhiên, xác định cấu trúc protein cho đến nay vẫn còn rất đắt tiền và tốn nhiều thời gian, mà kết quả vẫn còn đang kẹt như nút thắt cổ chai về cấu trúc ấy. Với sự phát triển của AlphaFold và ESMFold, nút thắt cổ chai này đã và đang được giảm dần bởi thứ tự độ lớn, cho phép chúng ta so sánh được cấu trúc protein của toàn hệ gen (entire genomes) trong khung thời gian hợp lý. Cơ sở dữ liệu có tên là  MaizeGDB đã tận dụng được thính đột phá của kỹ thuật này bởi nhận về nhiều công cụ để thúc đẩy nhanh hơn kết quả so sánh protein giữa cây bắp và cây trồng khác cũng như genome người và nấm men (yeast). MaizeGDB còn nhận được kết quả tải hàng loạt dữ liệu cấu trúc protein khác, bên cạnh thông tin dự đoán “annotation” (giải thích chi tiết di truyền). Theo đó, MaizeGDB sẵn sàng hỗ trợ các nhà nghiên cứu bắp đánh giá sự tương đồng về chức năng, chất lượng annotation sự mô phỏng gen, và thông tin khác không thể có đối với nhà khoa học bắp cách đây ít năm thôi.

 

Xem https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36755109/

 

Hình:  Biểu đồ hình cột biểu thị trong website (hàng tháng) tại cơ sở dữ liệu MaizeGDB. Trục x-là năm.