Những nhà khoa học hướng tới phát triển cây trồng chịu hạn bằng kỹ thuật di truyền

Những nhà nghiên cứu đã xác định được nền tảng di truyền của cây chịu hạn, cho phép họ có thể phát triển nhiều loại cây trồng có thể sinh sống, và thậm chí phát triển mạnh trong môi trường khô

Sản xuất cây trồng là một trong các hoạt động tiêu thụ nước sạch lớn nhất thế giới, và nguồn cung này đang bị đe dọa bởi sự nâng cao dân số và quá trình đô thị hóa trên toàn cầu. Những cây trồng yêu cầu ít nước hơn có thể mang lại ích lợi lớn lớn cho những khu vực bán khô cằn trên toàn cầu, nơi mà sự thất bại của mùa màng có thể là tai họa cho người dân địa phương.

Những cây trồng chịu hạn có cùng cơ chế chuyển hóa axit crassulacean, còn gọi là CAM, cho phép chúng tồn tại bất chấp mực nước thấp.

Trong một nghiên cứu mới, được xuất bản trên tạp chí Nature Communications, một nhóm những nhà nghiên cứu đã xác định được bộ gene làm nền tảng cho CAM, đặt cơ sở cho kỹ thuật di truyền của cây lương thực trong tương lai.

Tiến sĩ Xiaohan Yang, nhà sinh học thực vật tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng Mỹ, đồng tác giả của nghiên cứu mới cho thấy: “CAM là một cơ chế đã được minh chứng để nâng cao sự hiệu quả dùng nước trong thực vật”.

CAM về bản chất là một hình thức quang hợp, trong đó những lỗ chân lông trong lá của cây chỉ mở để nhả khí carbon dioxide vào buổi tối.

Trong ngày, khi mặt trời lên, lỗ chân lông vẫn đóng lại để giúp tránh nước thoát qua chúng. Việc này có nghĩa là chúng có thể chịu được môi trường khô tốt hơn.

Ông nói: “Khi chúng ta phát hiện những khối xây dựng tạo ra sự quang hợp CAM, chúng ta sẽ có kỹ thuật sinh học đối với những tiến trình trao đổi chất của những cây trồng ưa nước như gạo, lúa mì, đậu tương và cây bạch dương để gia tăng tốc độ thích nghi với môi trường hạn chế nước.

Tiến sĩ Yang và những cộng tác viên của ông đã xem xét bộ gen của ba loài thực vật dùng CAM, bao gồm phong lan và dứa. Khi làm như vậy, họ phát hiện thấy 60 gen đã phát triển theo cùng 1 cách trong cả ba loài khác nhau để có thể cung cấp cho chúng sự quang hợp CAM.

Các gen này, là các “khối xây dựng” mà Tiến sĩ Yang đã đề cập đến ở phía trên, đã phát triển độc lập trong suốt quá trình được gọi là “tiến hóa hội tụ” để sinh ra cơ chế giống nhau ở cả ba loài.

Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng với kiến ​​thức về những gen này, họ có thể thiết kế năng lực CAM cho những cây lương thực và năng lượng. Việc này có thể cho phép cây trồng được canh tác trong môi trường trước đây không thể, hoặc cung ứng cho chúng khả năng hồi phục cao hơn khi phải đối diện với khí hậu không có lợi.

Tiến sĩ Yang cho thấy: “Các thay đổi hội tụ trong dấu hiệu gen và trình tự protein có thể được đưa vào cây trồng dựa trên sự quang hợp truyền thống, đẩy mạnh quá trình tiến hóa của chúng để dùng nước hiệu quả hơn”.