Tìm ra sự khác biệt lớn về khả năng tìm kiếm nước ở các giống ngô của Hoa Kỳ
Nguyễn Tiến Hải theo Phys.org
Rễ ngô phát triển trong một thí nghiệm được thiết kế tùy chỉnh để đo lường phản ứng phân nhánh của rễ đối với độ ẩm, một hiện tượng được gọi là hydropatterning. Nguồn: LiPo Ching, Stanford University.
Cây ngô biết cách tìm nước trong đất bằng chính chóp rễ của nó, nhưng một số giống, bao gồm nhiều giống được sử dụng để lai tạo ngô năng suất cao ở Hoa Kỳ dường như đã mất đi một phần khả năng đó, theo một nghiên cứu do Đại học Stanford dẫn đầu cho biết. Với tình trạng biến đổi khí hậu làm gia tăng hạn hán, những phát hiện này có tiềm năng phát triển các giống ngô có khả năng phục hồi tốt hơn.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science đã khám phá ra cơ chế di truyền đằng sau “phản ứng khả năng phân nhánh của rễ với độ ẩm” (hydropatterning)”, hay cách rễ cây phân nhánh hướng về phía nước và tránh những khoảng đất khô cằn. Đặc biệt, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng ethylene, một loại hormone thực vật được biết đến là giúp chuối chín, cũng ảnh hưởng đến cách rễ cây phát triển để tìm kiếm nước.
“Thực vật rất tinh vi trong cách chúng “nhìn thấy” nước ở đâu trong đất và các gen chịu trách nhiệm cho điều đó đóng vai trò quan trọng trong việc giúp cây tạo ra hệ thống rễ được tối ưu hóa để hấp thụ nước hiệu quả”, José Dinneny, tác giả chính của nghiên cứu và là giáo sư sinh học tại Khoa Khoa học và Nhân văn của Stanford cho biết.
Về cơ bản, cây trồng sử dụng ethylene dạng khí do rễ của chúng tạo ra để cảm nhận vị trí của các khoảng không khí trong đất, Dinneny cho biết. Sau đó, chúng điều chỉnh sự phân nhánh của rễ theo hướng của hormone đó.
Rễ tìm nước
Mặc dù phòng thí nghiệm Dinneny trước đây đã tiết lộ độ nhạy cảm tinh vi của rễ ngô trong việc phát hiện nước, nhưng mức độ thực hiện điều này của cây phụ thuộc rất nhiều vào giống ngô cụ thể.
Đối với nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới, đơn giản hóa để nghiên cứu độ nhạy cảm của rễ với nước, giúp có thể phân tích phản ứng của 250 giống ngô phản ánh nguồn gen có trong quá trình lai tạo giống ngô hiện đại. Họ phát hiện ra rằng các giống ngô thích nghi để phát triển ở các vùng nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới như Mexico rất giỏi trong việc tạo ra các nhánh rễ mới hướng về phía nước và tránh các vùng khô hạn. Ngược lại, các giống thích nghi với vùng ôn đới của Bắc Mỹ thường mọc rễ theo nhiều hướng mà không phân biệt được vùng khô hạn và vùng ẩm ướt trong đất. Công trình này được thực hiện thông qua sự hợp tác quốc tế của một số nhóm nghiên cứu đóng góp chuyên môn về di truyền định lượng, tiến hóa và phát triển rễ.
Các nhà nghiên cứu cho biết sự phát triển của ngô hiện đại được trồng ở Hoa Kỳ, một loại cây trồng chính thường được trồng trên các vùng đất nông nghiệp màu mỡ cao, có thể đã làm suy yếu phản ứng tìm kiếm nước của rễ cây. Họ cũng lưu ý rằng so sánh với các nghiên cứu ngoài đồng cho thấy rằng cách rễ cây phân nhánh hướng về phía nước mạnh hơn liên quan đến độ sâu của rễ nhiều hơn.
“Điều thú vị là những cây ngô cảm nhận tốt hơn về nơi có nước cũng tạo ra hệ thống rễ sâu hơn”, tác giả chính Johannes Scharwies, một học giả sau tiến sỹ tại phòng thí nghiệm của Dinneny, cho biết. “Một giả thuyết có thể là nếu cây không mất thời gian để phát triển các nhánh rễ ở những nơi không tìm thấy nước và chất dinh dưỡng, thì cây sẽ có nhiều năng lượng hơn để phát triển sâu hơn ở nơi nhiều khả năng có nước hơn”.
Nhắm đến thích ứng hạn hán
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra thông qua phân tích di truyền rằng hai loại hormone thực vật, auxin và ethylene, đóng vai trò trong cách rễ ngô phản ứng với nước. Mặc dù auxin đã được biết là giúp kiểm soát quá trình này, nhưng sự tham gia của ethylene là một khám phá mới. Trong các thí nghiệm với cây cải xoong (Arabidopsis thaliana) - một cây mẫu thường được sử dụng trong nghiên cứu - các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các con đường truyền tín hiệu di truyền của hai loại hormone này bổ sung cho nhau: Tín hiệu auxin thúc đẩy sự phát triển của nhánh rễ hướng về phía nước, trong khi ethylene ngăn chặn sự phân nhánh khi rễ tiếp xúc với không khí.
Cần có thêm nghiên cứu để hiểu rõ hơn về sự tương tác của các con đường di truyền này trước khi các giống ngô có thể được phát triển với hệ thống rễ chống chịu hạn tốt hơn, nhưng những phát hiện này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc nghiên cứu các phản ứng cục bộ này ở các chóp rễ, Scharwies cho biết.
“Mỗi chóp rễ hoạt động như một cảm biến trong đất. Nghiên cứu các phản ứng cục bộ ở chóp rễ về tìm kiếm nước và chất dinh dưỡng và kiểm soát hướng của các nhánh rễ mới nên được phát triển”, ông cho biết. “Chúng ta cần dành nhiều thời gian hơn để xem xét các phản ứng rễ rất cục bộ này để hiểu toàn bộ cây làm gì, và sau đó chúng ta có thể sử dụng điều đó để phát triển các loại cây có khả năng chống chịu hạn tốt hơn”.
