Các gene kiểm soát chiều cao của thực vật có thể tạo ra lúa chịu lũ

Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã phát hiện ra hai gene có khả năng cùng nhau kiểm soát chiều cao của cây lúa: một gene đẩy nhanh tốc độ lớn lên của thân và gene còn lại hoạt động như một chiếc “phanh” để kìm hãm. Họ cho biết, nếu cơ chế này có sự tương đồng ở các loại thực vật khác thì đó sẽ là một yếu tố hữu ích trong việc nhân giống nhiều loại cây trồng.

Lúa ma, lúa trời có thể phát triển trong mùa lũ tại vùng Đồng Tháp Mười, Việt Nam. Nguồn: JOSE MORE/VWPICS/ALAMY STOCK PHOTO

Chiều cao đóng vai trò quan trọng đối với cây cối. Những cây trồng không có lợi thế về chiều cao có thể ra nhiều hạt hơn mà không hề bị sức nặng làm cong thân cây – một yếu tố then chốt giúp thúc đẩy cuộc Cách mạng Xanh trong những năm 1960. Tuy nhiên, những cây trồng thân cao lại có khả năng sinh tồn tốt hơn sau các trận lũ lụt. Giờ đây, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra hai gene có khả năng cùng nhau kiểm soát chiều cao của cây lúa: một gene đẩy nhanh tốc độ lớn lên của thân và gene còn lại hoạt động như một chiếc “phanh” để kìm hãm. Họ cho biết, nếu cơ chế này có sự tương đồng ở các loại thực vật khác thì đó sẽ là một yếu tố hữu ích trong việc nhân giống nhiều loại cây trồng.

“Cơ chế này có thể là một công cụ tuyệt vời hơn trong một hộp nhiều công cụ”, Julia Bailey-Serres, nhà sinh vật học nghiên cứu về lúa ở đại học California, Riverside, người không tham gia vào nghiên cứu mới này, cho biết.

Vào những năm giữa thế kỷ 20, các nhà nghiên cứu giống cây trồng thường chọn các giống lúa và lúa mì có thân ngắn bởi các giống này có nhiều hạt hơn và ít bị đổ khi gặp gió to hay mưa lớn. Sau đó, các nhà sinh vật học đã phát hiện ra, ở một số thời điểm nhất định trong quá trình phát triển, các giống này sẽ tạo ra ít hormone gibberellic acid (GA) hơn hoặc không thể phản hồi được các “tín hiệu” tăng trưởng thân cây của mình. Tác dụng phụ của các biến đổi này có thể bao gồm việc những cây non thỉnh thoảng trồi lên trên mặt đất quá sớm ở các vùng dễ bị hạn hán.

Nhà di truyền học phân tử thực vật Motoyuki Ashikari ở đại học Nagoya và các cộng sự đã nghiên cứu về các giống lúa có khả năng tăng trưởng chiều cao nhanh chóng, thậm chí lên đến 25 cm một ngày, và sống sót được sau những trận lụt lớn. Giống lúa có tên là “lúa nước sâu” này được trồng ở các khu vực đồng bằng và chủ yếu là ở Đông Nam Á – nơi các trận lụt theo mùa có thể khiến nước dâng cao lên tới 1m (ở Việt Nam, chúng thường được gọi là lúa trời hoặc lúa ma). Trước đây, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi bị ngập nước, khí ethylene sẽ tích tụ trong các mô của cây và kích hoạt sự sản xuất hormone GA. Còn trong nghiên cứu mới này, Ashikari và các đồng nghiệp đã nỗ lực để tìm hiểu xem, làm thế nào mà hormone GA có thể khiến cho các giống cây lúa nước sâu tăng trường chiều cao thân của mình.

Nhớm nghiên cứu đã so sánh DNA của một giống lúa nước sâu với một giống lúa khác vốn chỉ có thể phát triển được ở vùng nước nông. Và họ đã sớm phát hiện được hai gen có tên ACE1 (gene làm tăng tốc độ kéo dài giữa các đốt) và DEC1 (gene làm chậm tốc độ đó). Trong công trình “Antagonistic regulation of the gibberellic acid response during stem growth in rice” nhóm nghiên cứu đăng trên Nature, các thí nghiệm nhà kính đã cho thấy vai trò của các gene này: với giống lúa nước sâu, khi cây chìm ở trong nước, gene ACE1 sẽ hoạt động, kích thích sự phân chia tế bào ở thân cây và giúp chúng tăng trưởng. Tuy nhiên, các giống cây nước nông thông thường – các giống có sự biến đổi trong gene ACE1, không cho thấy sự tăng trưởng chiều cao thân lúa như vậy khi bị ngập nước.

Trong các thí nghiệm khác, nhóm nghiên cứu cũng đã chỉ ra gene DEC1 có vai trò làm chậm sự phát triển của thân lúa. Khi các giống nước nông gặp lũ lụt, các gen DEC1 vốn được “bật” sẵn vẫn sẽ tiếp tục hoạt động và là “phanh” hãm sự phát triển của thân lúa. Ngược lại, khi các giống lúa nước sâu ở trong điều kiện tương tự, các phanh này sẽ được “nhả”: DEC1 dừng hoạt động và giúp cho thân lúa tiếp tục lớn lên.

Nếu các nhà nhân giống cây trồng hoặc các nhà sinh vật học phân tử có thể kiểm soát được hai gene này thì sẽ có thể điều chỉnh được chiều cao của thân mà không cần phải thay đổi mức độ GA, kể cả với các cây trồng khác ngoài cây lúa, bà Laura Dixon, nhà sinh vật học thực vật tại đại học Leeds cho biết. Điều đó có nghĩa là GA sẽ tiếp tục tác động đến các bộ phận khác của cây trồng như bình thường. Susan McCouch, nhà sinh vật học nghiên cứu về lúa tại đại học Cornell, người không tham gia vào nghiên cứu, nhận định, các gene mới này có thể hoạt động như một chiếc “công tắc đèn” đơn giản cho chiều cao của cây.

Hai gene nói trên cũng tồn tại ở cây mía, lúa mạch và một loại cỏ phổ biến trong nghiên cứu có tên Brachypodium distachyon. Những gene này cũng có thể xuất hiện rộng rãi trong nhiều loại cỏ quan trọng khác đối với nông nghiệp. Hay cây ngô, một loại cây trồng thiết yếu, cũng có một gene tương tự như ACE1, tuy nhiên không có gene nào hoàn toàn giống với DEC1 mà chỉ tương đồng một phần. Phạm vi các loài thực vật có hai gene này vẫn khiến cho phát hiện mới của các nhà nghiên cứu trở nên “cực kỳ quan trọng”, McCouch đánh giá.

Các gene đó có thể giúp các nhà nghiên cứu giống cải thiện các giống lúa năng suất thấp mà vốn đã có khả năng chống chọi với các trận lụt mùa, hoặc tạo ra các giống mới từ những giống lúa thân thấp năng suất cao. Nếu hướng tiếp cận này có hiệu quả đối với các cây trồng khác, nó thậm chí còn có thể giúp tạo ra các giống cây chống chịu ngập cho các vùng thường xuyên phải trải qua nhiều trận lũ lụt hơn do tác động của biến đổi khí hậu, bao gồm Trung Tây Hoa Kỳ, Bailey-Serras cho biết. Để đạt được kết quả như vậy, các nỗ lực sẽ phụ thuộc hoàn toàn vào việc liệu các gene trong các cây trồng đó có đáp ứng lại hay không, tuy nhiên, “điều này sẽ tạo ra một sự khác biệt rất lớn đối với người dân”.

Nguyễn Hoàng Mỹ Hạnh dịch

Nguồn: https://www.sciencemag.org/news/2020/07/new-genes-control-plant-height-could-lead-flood-proof-crops?