Đang tải... (xem toàn văn)
Untitled 31 khoa học công nghệ và đổi mới sáng tạo Số 3 năm 2021 hiện tượng phs ở ngũ cốc Lũ lụt là một trong những yếu tố bất lợi phi sinh học có ảnh hưởng nặng nề và toàn diện đến nền sản xuất nông[.]
khoa họckhoa - công nghệ đổi sáng tạo học - công nghệ đổi sáng tạo tiềm nghiên cứu kháng nảy mầm sớm lúa nhằm ứng phó với biến đổi khí hậu việt nam Nguyễn Q́c Trung1, Hồng Minh Chính1, Chu Đức Hà2, Nguyễn Thị Hồng1, Dương Thanh Thủy3, Lê Thị Hiên2, Vũ Minh Thiết4 Khoa công nghệ Sinh học, học viện nông nghiệp Việt nam Khoa công nghệ nông nghiệp, trường đại học công nghệ, đại học Quốc gia hà nội Khoa nông học, trường đại học nông lâm huế Viện Kỹ thuật công nghệ cao nguyễn tất thành, trường đại học nguyễn tất thành Nảy mầm sớm (Pre-harvest sprouting - PHS) yếu tố gây tác động xấu đến suất chất lượng ngũ cớc tồn giới Bản chất tượng thay đổi nồng độ hormone abscisic acid (ABA) gibberellic acid (GA) phơi, từ hạt nảy mầm mẹ Các chiến lược chọn giống giới tập trung theo hướng tăng cường hoạt động gen liên quan đến sinh tổng hợp ABA kìm hãm GA, từ tăng cường tính ngủ nghỉ hạt Tại Việt Nam, nhà chọn giống bắt đầu quan tâm đến PHS để giải tốn cho canh tác lúa ứng phó với biến đổi khí hậu tỉnh miền Trung đạt kết bước đầu tượng phs ngũ cốc Lũ lụt yếu tố bất lợi phi sinh học có ảnh hưởng nặng nề tồn diện đến sản xuất nơng nghiệp, nguyên nhân gây tượng PHS [1] PHS định nghĩa tượng hạt phôi bắt đầu phát triển trước chúng tách rời khỏi mẹ [2] Đây tượng phổ biến loài thực vật bậc cao, ghi nhận gần 100 lồi có hoa (thuộc 40 chi 23 họ khác nhau) [3, 4] Đặc biệt, PHS xuất nhiều loại ngũ cốc, điển lúa mì, lúa mạch, ngơ lúa gạo hầu hết khu vực giới, gây thiệt hại hàng tỷ USD năm [5] (hình 1) Hình Hiện tượng PHS xảy ở loại ngũ cốc (a) lúa mỳ, (b) lúa mạch, (C) ngô (d) lúa gạo Số năm 2021 31 Khoa học - Công nghệ đổi sáng tạo Ở hầu hết ngũ cốc, chế ngủ nghỉ hạt (seed dormancy) chứng minh có liên quan chặt chẽ tới q trình nước xảy giai đoạn chín hạt [6] Khi đó, carbohydrate tích lũy tỷ lệ thuận với lượng nước theo trình phát triển hạt Tuy nhiên, trận mưa trái mùa diễn điều kiện để carbohyrate dự trữ bị “ngậm” nước, từ phơi phát triển bên vỏ hạt cịn (hình 2) Cụ thể, điều kiện độ ẩm cao (do mưa liên tục kéo dài) kèm theo nhiệt độ cao xâm nhập qua lớp vỏ phá vỡ trình ngủ nghỉ hạt ngũ cốc thông qua thay đổi hormone, đặc biệt ABA GA [4, 6, 7] Hình Các điều kiện ngoại cảnh thúc đẩy tượng PHS ở ngũ cốc Về mặt lý thuyết, ABA hormone liên quan trực tiếp đến trình ngủ nghỉ hạt, GA thúc đẩy nảy mầm hạt phá vỡ trạng thái ngủ đông [8] Các nghiên cứu trước chứng minh rằng tỷ lệ ABA/ GA điều khiển trực tiếp trình chuyển dịch hai trạng thái nảy mầm ngủ nghỉ hạt [4, 32 6-8] Trong trình phát triển hạt, việc tổng hợp ABA mẹ nội phôi ngăn cản PHS xảy ra, tỷ lệ ABA/GA ln trì mức cao nhằm trì trạng thái ngủ nghỉ hạt ngũ cốc [9] Tuy nhiên, kích thích bất lợi phi sinh học (mưa nhiều kèm nhiệt độ) hoạt hóa biểu số gen điều hịa, thúc đẩy q trình tổng hợp GA, dẫn đến cân bằng tỷ lệ ABA/ GA Bên cạnh đó, hoạt động enzym thủy phân tăng cường, đặc biệt α-amlyase (gấp 20-40 lần), từ làm bột ngũ cốc trở nên xốp, dính màu, giảm giá trị kinh tế hạt 20-50% [10]… Đến nay, chế điều hịa q trình ngủ nghỉ nảy mầm hạt ngũ cốc thông qua đường tín hiệu hormone chưa hồn tồn làm sáng tỏ Ví dụ, Yan Chen (2020) [9] tóm lược nghiên cứu trước rằng, ethylene hormone hoạt động giai đoạn ngủ nghỉ hạt, có xu hướng hoạt động mạnh hạt tiếp xúc với nước bắt đầu nảy mầm Tương tự GA, ethylene có tác dụng đối nghịch với ABA, nhiên thiếu bằng chứng cho thấy việc sản xuất ethylene tăng cường giai đoạn hạt lúa nảy mầm Ngoài ra, số yếu tố di truyền liên quan đến đặc tính giống khả kháng PHS, tính thấm vỏ hạt, giai đoạn trưởng thành hạt đặc tính nơng sinh học khác ảnh hưởng đến trình PHS [10] Số năm 2021 Chiến lược nghiên cứu chọn tạo giống ngũ cốc kháng lại tượng phs Đến nay, có hai chiến lược kháng PHS ngũ cốc chứng minh hiệu [5] Thứ nhất, kiểm sốt chế tín hiệu GA kích thích nảy mầm [5] Nelson cộng (2017) [11] tiến hành so sánh mức độ phiên mã toàn hệ gen mẫu hạt khơ dịng đột biến sleepy1-2 so với đối chứng Arabidopsis thaliana nòi sinh thái Landsberg erecta (Ler) Trong đó, gen SLEEPY1 (SLY1) mã hóa cho tiểu phần F-box E3 ubiquitin ligase SCF, enzym có vai trị phản ứng hình thành phức hợp GID1-GA-DELLA, gây đột biến đoạn gen SLY1 làm tích lũy q mức DELLA, từ làm giảm khả ngủ nghỉ hạt, chúng đóng vai trị kháng PHS [11] Thứ hai, tăng cường khả ngủ nghỉ hạt thông qua củng cố q trình sinh tổng hợp chu trình tín hiệu ABA [5] Cụ thể, tăng cường biểu gen liên quan đến trình sinh tổng hợp ABA mang đến tiềm tăng cường tính ngủ nghỉ hạt kháng PHS [5, 12] Một số gen có vai trị sinh tổng hợp ABA nội sinh hạt điều hòa lúc dịch mã [12] Ví dụ, bước quan trọng sinh tổng hợp ABA thực vật bậc cao phản ứng phân cắt ơxy hóa cisepoxycarotenoids tham gia 9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase (NCED) [5, 13] Biểu mức gen PtNCED1 kích thích sản sinh ABA nội sinh hạt lồi Phaius tankervilliae, khoa học - cơng nghệ đổi sáng tạo từ tăng cường khả nảy mầm [5, 13] Trong dị hóa, gen CYP707A mã hóa cho enzym ABA 8′-hydrolase, nhờ q trình hydroxyl hóa ABA vị trí 8’ xảy Những kết rằng biểu gen NCED CYP707A đóng vai trị quan trọng điều hòa ABA nội sinh hạt ngủ nghỉ [14] Trong đó, gen khác liên quan đến đường tín hiệu ABA lại chủ yếu điều hòa sau dịch mã [12] ABI5 thành viên họ nhân tố phiên mã bZIP đóng vai trị thiết yếu điều hịa q trình nảy mầm hạt sinh trưởng non giai đoạn sớm Sự cảm nhận tín hiệu ABA thực vật chủ yếu phụ thuộc vào tín hiệu, với hoạt động thụ thể PYR/ PYL/RCAR, yếu tố điều hịa âm tính PPC (phosphatase 2C) yếu tố điều hịa dương tính SnRK2 Khi khơng có mặt ABA, PP2C bám vào SnRK2 để loại bỏ gốc phosphate (PO43-), dẫn đến SnRK2 khơng thể thực q trình phosphoryl hóa chất chuỗi dẫn truyền tín hiệu Khi có mặt ABA, thụ thể PYR/PYL/RCAR5 bám vào ABA tương tác với PP2C để bắt đầu q trình phosphoryl hóa gắn gốc phosphate cho SnRK2 để tiếp tục thực phản ứng phosphoryl hóa cho chất kế sau chuỗi dẫn truyền điện tử ABI5 có chức cảm nhận tín hiệu ABA thơng qua điều hịa biểu gen mang yếu tố cis- đáp ứng với ABA (ABRE) vùng promoter chúng Hơn nữa, ABI5 điều hòa nitric oxide (NO) [12] Quá trình mang lại tiềm ngăn chặn PHS, đồng thời phục hồi khả nảy mầm hạt từ kháng PHS NO kích thích nảy mầm [5] Có thể thấy rằng, kết đạt việc tìm hiểu chất chế ngủ nghỉ nảy mầm thực vật sẵn sàng cho việc áp dụng vào sản xuất Tuy nhiên, chế loài ngũ cốc khác Các đánh giá chất chuyển hóa kết hợp với phân tích hệ protein hệ phiên mã cần phải tiến hành giống mẫn cảm kháng PHS ngũ cốc Một số kết nghiên cứu kháng nảy mầm sớm lúa Việt nam Những năm gần đây, mưa to bất thường gây ngập úng lại thường rơi đúng vào thời điểm chuẩn bị thu hoạch hai vụ lúa đông xuân hè thu miền Trung nói chung, tỉnh Thừa Thiên - Huế nói riêng Nếu đợi chín, lúa nảy mầm ngập úng lâu ngày, cịn thu hoạch lúc xanh cơng gặt lúa cao gấp lần so với bình thường, giá lúa bán thị trường giảm 25-30% Trước thực tế đó, số nghiên cứu thăm dị nhóm nghiên cứu Khoa Công nghệ Sinh học, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Khoa Nông học, Trường Đại học Nông lâm Huế triển khai Khảo sát cấu lúa tỉnh Thừa Thiên - Huế cho thấy, giống lúa canh tác đại trà địa phương tượng PHS xảy tương đối phổ biến Đáng chú ý, số giống lúa địa vùng, điển Chiêm Tây thể tính kháng PHS tốt Nhóm nghiên cứu chọn tạo phát triển dòng lai trở lại cận giao tái tổ hợp (backcross recombinant-inbred line, BIL) kháng PHS di truyền giống Khang Dân 18 (KD18) Trong đó, locus tính trạng số lượng (QTL) qPSR7 xác định nằm gần thị R34C6 nhiễm sắc thể số liên kết chặt với phân ly tỷ lệ nảy mầm; alen từ giống lúa indica TSC3 làm tăng alen từ giống lúa KD18 làm giảm khả kháng nảy mầm trước gặt Thí nghiệm mơ tượng PHS điều kiện nhân tạo (ngâm lúa vào chậu nước nhiệt độ phịng có chiếu sáng cường độ 4000 lux, 12h sáng/12h tối) cho thấy, dịng lúa cải tiến mang QTL qPSR7 có tỷ lệ nảy mầm thấp (