Hạt phấn- Mục tiêu cho nghiên cứu chọn tạo giống cây trồng thích ứng với biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu đang diễn ra ngày càng phức tạp và có xu hướng lan rộng trên toàn cầu. Hiện tượng bất thường của thời tiết như nắng nóng, lạnh, lũ lụt, hạn hán diễn ra với mức độ ngày càng thường xuyên và gay gắt hơn. Không chỉ tác động đến hoạt động sống của con người mà các sinh vật cũng bị xáo trộn. Cây trồng, đối tượng cung cấp lương thực chính cho con người, đang phải đối mặt trực tiếp với những thay đổi bất thường của khí hậu, và chúng cần có những thay đổi để thích ứng trong cuộc sống sinh tồn.

Hình 1: Biểu đồ gia tăng nhiệt độ qua các năm. Nguồn: NASA, 2016 http://climate.nasa.gov/

Phần lớn chúng ta đều cho rằng các cơ quan sinh trưởng thân, lá dễ bị ảnh hưởng bởi stress nhiệt độ và cần được nghiên cứu. Tuy nhiên, những nghiên cứu mới đây cho thấy cơ quan sinh sản (hoa) khá nhạy cảm với stress, đặc biệt là hạt phấn. Quá trình phát triển của hạt phấn có thể bị ngừng trệ ngay cả khi cây ở mức độ stress nhẹ. Qua nghiên cứu chúng tôi nhận thấy, trong điều kiện nhiệt độ cao, nhị hoa không có khả năng kéo dài do quá trình tổng hợp auxin bị ngăn chặn, quá trình giảm phân bị rối loại, tapetum bị tổn thương dẫn đến hạt phấn không hình thành. Cây không có khả năng kết hạt. Nhiều nghiên cứu khác cho rằng quá trình trao đổi chất ở hạt phấn bị ảnh hưởng nghiêm trọng khi gặp stress. Điều này đòi hỏi các nhà khoa học cần phải hiểu rõ quá trình phát triển của hạt phấn, ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến quá trình này để tìm kiếm nguồn vật liệu thích hợp cho chọn tạo giống.

Hình 2. Hình thái hoa và hạt phấn Arabidopsis trong điều kiện stress nhiệt độ cao. Khi gặp nhiệt độ cao chỉ nhị không thể kéo dài (B) để đưa hạt phấn tiếp cận với vòi nhụy như trong điều kiện bình thường (A). Hạt phấn bị chết và không có khả năng giải phóng khỏi bao phấn (D), tuy nhiên trong điều kiện bình thường (C) hạt phấn dễ dàng ra khỏi bao phấn.

(Nguồn: A, B: Sakata et al. 2010; C, D: Nguyen TD (chưa công bố)

Các nhà khoa học đang tìm cách giúp cho cây trồng có khả năng thích ứng mạnh mẽ hơn trong các điều kiện bất lợi. Sàng lọc gen có khả năng chống chịu với stress nhiệt độ và đưa nó vào cây trồng là một trong những cách tiếp cập được nhiều nhà khoa học đang tiến hành. Tuy nhiên sự tương tác giữa nhiệt độ với các quá trình hóa sinh trong cây diễn ra rất phức tạp, không chỉ ở một hay một nhóm gen mà còn có sự tác động qua lại giữa chúng.

Nâng cao sức chống chịu của cây ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng thường dễ dàng hơn. Tuy nhiên kiểm soát gen mục tiêu để tăng cường sức sống của hạt phấn trong điều kiện stress là cách tiếp cận mới hiện nay. Để tiếp cận con đường này, chúng tôi đã lựa chọn và đánh giá khả năng ứng dụng của 10 gen trong tổng số 410 gen chuyên biệt cho hạt phấn dựa trên giữ liệu microarray. Ứng dụng promoter chuyên biệt hạt phấn chúng tôi điều khiển thành công gen mục tiêu ở hạt phấn trên cây Arabidopsis, giúp cây có phục hồi năng suất. Điều hướng gen liên quan đến quá trình tổng hợp hormone hay các gen mã hóa cho protein chịu nhiệt ở hạt phấn là mục tiêu chúng tôi hướng tới giúp cây trồng vượt qua điều kiện bất lợi của nhiệt độ ở giai đoạn ra hoa.

Hình 3. Gen chuyên biệt hạt phấn điều khiển gen GUS biểu hiện ở các giai đoạn phát triển của hạt phấn lúa (ảnh trái). Promoter của chúng được sử dụng để điều khiển gen SCP khôi phục chức năng của hạt phấn giúp cây scp bất dục trở nên hữu dục hoàn toàn (RMP-SCP).

(Nguồn: Nguyen TD et al 2016a doi: 10.1007/s11103-016-0496-1 & Nguyen TD et al. 2016b http://rdcu.be/meke)

Tin bài: TS. Nguyễn Tiến Dũng, Khoa CNSH&CNTP, Email: dungnt@tuaf.edu.vn

Người đăng: Bùi Đình Lãm