Từ trái sang phải, ScGAI-lặng, không thay đổi, ScGAI-biểu hiện quá mức

 Ảnh Rafael Garcia Tavares / IB-UNICAMP

Bấthấp những nỗ lực nhân giống quốc tế, nông học tiên tiến/hiện đại và quản lý sâu bệnh hại hiệu quả, sản lượng mía vẫn tồn tại trong nhiều thập niên do những hạn chế về phát triển thân mía. Khả năng trữ đường của thân mía thì hạn chế một cách cụ thể, hạn chế khối lượng sucrose và sinh khối có thể thu được từ cây trồng cho sản xuất đường và ethanol thế hệ thứ hai (2G), theo các chuyên gia trong khu vực.

Marcelo Menossi, một giáo sư tại Khoa Di truyền học, Tiến hóa & Sinh vật học của Đại học trực thuộc Viện Sinh học Campinas (IB-UNICAMP) tại Brazil cho biết: “Bước đột phá ngưỡng phát triển này bằng việc chọn tạo giống truyền thống [lai chéo nhiều giống] đang chứng tỏ khó khăn”.

Menossi, phối hợp với các sinh viên sau đại học được giám sát bởi anh và với các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm Khoa học & Công nghệ Sinh học Quốc gia của Brazil (CTBE), nghiên cứu Mía của Úc và Đại học Martin Luther của Đức Halle-Wittenberg (MLU), đã tìm ra chìa khóa để vượt qua hạn chế này về năng suất mía có thể nằm trong một gen gọi là ScGAI.

Trong một nghiên cứu được thực hiện trong một dự án liên quan đến BIOEN, Chương trình Nghiên cứu Năng lượng Sinh học từ Quỹ nghiên cứu FAPESP - São Paulo, Menossi và cộng tác viên đã phát hiện ra rằng ScGAI là một yếu tố quan trọng trong phát triển cây mía.

Bằng cách điều khiển hoạt động của gen này trong các dòng mía chuyển gen được phát triển ở Úc, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc tăng đáng kể khối lượng thân và thay đổi phân bổ carbon thành các phân tử cấu trúc và lưu trữ. Họ đã báo cáo những phát hiện của họ trong một bài báo đăng trên tạp chí Experanyental Botany.

Menossi cho biết: “Giống mía mà chúng tôi thay đổi biểu hiện của ScGAI phát triển nhanh hơn rất nhiều. Điều này có nghĩa là có thể lai tạo một lượng mía năng lượng trưởng thành nhanh hơn và có năng suất sinh khối cao hơn trên một đơn vị thời gian.

Phát hiện này bắt nguồn từ nghiên cứu tiến sĩ của Rafael Garcia Tavares, được thực hiện tại IB-UNICAMP dưới sự giám sát của Menossi và với học bổng từ FAPESP.

Trong quá trình nghiên cứu, ScGAI đã được tìm thấy để trung hòa các quy tắc của điều hòa sinh trưởng được sử dụng bởi người trồng mía, chẳng hạn như ethylene và gibberellin.

Gibberellin được sử dụng rộng rãi để cải thiện năng suất trong nhiều loại cây trồng và đẩy nhanh quá trình chín của mía bằng cách kích thích sự thoái hóa nhanh của protein DELLA, do đó ngăn chặn sự tương tác và làm suy yếu các protein kích thích sự phát triển của cây.

"Ethylene thường được áp dụng cho trồng mía trong giai đoạn chín, khi nông dân muốn cây tiếp tục tích lũy sucrose thay vì trồng và sản xuất nhiều lá hơn. Không giống như gibberellin, nó ổn định DELLA và cho phép chúng tương tác và làm suy giảm các protein thúc đẩy tăng trưởng khác. Tuy nhiên, vai trò của DELLA như các nhà quản lý sinh trưởng mía đã được hiểu theo một cách tệ hơn", Menossi nói.

Bằng sáng chế của phương pháp thao tác

Để thu thập sự hiểu biết tốt hơn về cách DELLAs điều chỉnh sinh trưởng của mía, đặc biệt liên quan đến phát triển thân, các nhà nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm trong đó họ thay đổi biểu hiện ScGAI trong một giống mía Úc.

Trong một số dòng, ScGAI được biểu hiện lặng để giảm sản lượng của DELLA và ngăn chặn chúng làm suy giảm các protein khác góp phần vào sự phát triển của cây trồng.

Trong các dòng khác, các nhà nghiên cứu đã thực hiện các bước để đảm bảo rằng gen được biểu hiện quá mức với mục đích tăng sản lượng DELLA và ổn định chúng để tiếp tục làm suy giảm các protein thúc đẩy tăng trưởng.

Trong một phân tích so sánh được thực hiện sau bốn tháng, các dòng mía chuyển gen biểu thị quá mức ScGAI thể hiện sự tăng trưởng chậm chạp, phát triển ngắn hơn và chuyển hóa năng lượng suy giảm.

Ngược lại, các cây đã chuyển gen lặng ScGAI thì cao hơn và thể hiện độ giãn dài trong nội bào nhanh, tăng sản xuất phytomer và phân bổ carbon lớn hơn cho thân cây. Phytomer được định nghĩa là một đơn vị bao gồm một mắc và lóng, chồi nách của nó và một lá đính kèm.

Nghiên cứu cho thấy gen ScGAI là một thành phần cơ bản của sự phát triển mía và có thể là mục tiêu thao tác di truyền cho phép can thiệp vào tốc độ tăng trưởng của cây bằng cách điều chỉnh các protein DELLA, điều phối viên của dự án nghiên cứu FAPESP cho biết.

Các nhà nghiên cứu đã áp dụng cho một bằng sáng chế về phương pháp họ phát minh ra để thao tác ScGAI nhằm giảm lượng DELLA trong cây mía để cây phát triển nhanh hơn. Hai công ty đã bày tỏ sự quan tâm đến công nghệ này.

Menossi nói: “Bước tiếp theo là thực hiện các thử nghiệm thực địa và xem chúng có thể có được kết quả tương tự bằng cách phát triển các dòng chuyển gen với gen được điều khiển trong nhà kính hay không”.

Nguyễn Thị Quỳnh Thuận theo Sciencedaily.