Các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng đã xác định được một bộ gen cho phép các cây chịu hạn khác nhau sống sót trong điều kiện bán khô hạn và thiếu hụt nước.
Cây trồng phát triển mạnh ở vùng đất khô cằn bằng cách giữ nước trong các khoang, lá, thân. Chúng thích nghi với các điều kiện thiếu hụt nước bằng cách “đóng cửa” trong thời gian ban ngày để hạn chế bay hơi nước và tiết kiệm nước, “mở cửa” vào ban đêm để thu thập CO2. Hình thức quang hợp này, được gọi là quá trình trao đổi acid crassulacean hay CAM, đã phát triển qua hàng triệu năm, tạo nên các đặc tính tiết kiệm nước trong cây như lan và dứa.
CAM là một cơ chế tự nhiên của cây, có khả năng nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong thực vật - Xiaohan Yang, đồng tác giả của ORNL cho biết. Khi chúng ta hiểu được cấu tạo và cơ chế quang hợp của CAM, chúng ta sẽ có khả năng tạo ra các quá trình trao đổi chất đối với các loại cây trồng có năng suất cao như gạo, lúa mì, đậu nành.. để tăng tốc độ thích ứng với môi trường nước hạn chế.
Đối với công trình nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu của ORNL đã tiến hành nghiên cứu, tìm hiểu bộ gen của Kalanchoë fedtschenkoi, đồng thời đây là một mô hình mới cho nghiên cứu bộ gen của CAM vì hệ gene của nó tương đối nhỏ và khả năng sửa đổi.
Nhóm nghiên cứu đã điều tra và so sánh các bộ gen của K. fedtschenkoi, với Phalaenopsis equestris (hoa lan) và Ananas comosus (dứa) bằng một bộ siêu máy tính Titan của ORNL.
Yang cho biết: "Người ta thừa nhận rằng một số cây trồng không liên quan cũng có những đặc tính tương tự trong các điều kiện môi trường tương tự, và cho rằng đây là một quá trình được gọi là sự tiến hóa hội tụ”.
Các nhà khoa học đã xác định được 60 gen thể hiện sự tiến hóa hội tụ ở các loài có hiện tượng CAM, bao gồm thay đổi biểu hiện ban ngày và ban đêm trong 54 gen, cũng như trình tự chuỗi protein trong sáu gen. Cụ thể, nhóm nghiên cứu phát hiện ra một biến thể mới của phosphoenolpyruvate carboxylase, hoặc PEPC. PEPC là một loại enzyme quan trọng chịu trách nhiệm cho việc gắn kết CO2 vào axit malic vào ban đêm. Axit malic sau đó được chuyển đổi trở lại thành carbon dioxide để quang hợp vào ban ngày.
Ông Yang cho biết: "Những thay đổi hội tụ trong biểu hiện gen và trình tự protein có thể được đưa vào cây trồng dựa vào quang hợp bình thường, đẩy mạnh quá trình phát triển của chúng để trở nên sử dụng nước hiệu quả hơn.
Công trình nghiên cứu này đã được nhóm đã công bố trong Tạp chí Thiên Nhiên (Nature Communications).
Sử dụng nước thông minh
Sản xuất nông nghiệp tiêu thụ nguồn nước ngọt lớn nhất thế giới. Trong khi nguồn nước tự nhiên sẵn có đang thu hẹp lại do đô thị hóa, tăng trưởng dân số và thay đổi khí hậu, điều này tạo ra thách thức đối với môi trường đang bị sử dụng triệt để hiện nay.
Để giải quyết vấn đề này, hiện tượng quang hợp theo cách thức, kỹ thuật CAM ở các loại cây lương thực có thể làm giảm việc sử dụng nước trong nông nghiệp và tăng khả năng phục hồi của cây trồng trong điều kiện nguồn nước hạn chế và việc cấp nước ít hơn yêu cầu.
Jerry Tuskan, đồng tác giả và là giám đốc điều hành của Trung tâm Năng lượng Năng lượng Sinh học, cho biết việc Nghiên cứu bộ gen có hiệu quả về sử dụng nước có thể cung cấp cái nhìn rõ ràng hơn về khả năng sử dụng nước có độ mặn nhẹ và ít nước sạch dưới nhiệt độ cao. Ông cho biết, nếu có thể di chuyển các đặc điểm này sang các cây trồng nông nghiệp chính khác thì các vấn đề liên quan đến sử dụng nước sẽ có thể được giải quyết đồng thời có thể tiết kiệm được nguồn nước sạch.
Nghiên cứu mang tên "Bộ gen Kalanchoë cung cấp những hiểu biết về tiến hóa hội tụ và các khối cấu tạo của sự trao đổi chất crassulacean acid. Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học của DOE (Nghiên cứu Sinh học và Môi trường, Chương trình Khoa học Genomic) và Chương trình Nghiên cứu và Phát triển của Phòng thí nghiệm ORNL. Nghiên cứu này cũng sử dụng các nguồn tài nguyên của môi trường dữ liệu và tính toán khoa học tại ORNL có hệ cơ sở hạ tầng tích hợp, hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu.
Tác giả bài viết: Lê Oanh (dwrm dịch)
Nguồn tin: Science daily