Gene ảnh hưởng đến năng suất lúa

Thế giới cần lương thực! Đây là một trong những khó khăn loài người phải khắc phục để đạt được mục tiêu thiên niên kỷ. Để giải quyết vấn đề này, việc cải biến hệ thống sản xuất làm tăng sản lượng lương thực theo hướng bền vững là nhiệm vụ của nền nông nghiệp trong tương lai. Trong các loại lương thực chính, gạo đứng vị trí thứ hai tính theo lượng tiêu thụ (1). Chính vì vậy, các biện pháp nhằm tăng sản lượng lúa đóng vai trò quan trọng. Theo số liệu của Tổ chức Luơng thực và Nông nghiệp thế giới (FAO), mặc dù các tiến bộ khoa học kỹ thuật càng ngày càng được áp dụng nhưng trong hầu hết các hệ thống sản xuất (theo khu vực và theo quốc gia) năng suất lúa thực tế vẫn còn cách khá xa so với năng suất tiềm năng hay nói cách khác khoảng cách năng suất (yield gap) vẫn còn lớn (2). Cũng theo số liệu của FAO công bố năm 2006, năng suất lúa của Việt Nam vẫn còn dưới năng suất tiềm năng tới 2 tấn/ha. Bên cạnh các yếu tố thuộc về điều kiện ngoại cảnh và canh tác thì phẩm chất giống lúa là một trong những yếu tố quyết định năng suất và phẩm chất lúa gạo.

Đối với từng giống lúa, các đặc điểm ảnh hưởng đến năng suất như số hạt/bông và khối lượng hạt được quy đinh bởi một nhóm gene. Tương tác giữa các gene trong nhóm sẽ ảnh hưởng đến tính trạng quy định năng suất này. Chính vì vậy, tìm kiếm các gene ảnh hưởng đến năng suất là công việc của nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới. Nhóm nghiên cứu của Zuhua He tại Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc tại Thượng Hải đã xác định một gene quy định kích thước và khối lượng hạt lúa và được cho là có khả năng đóng góp trong việc lai tạo các giống lúa mới cho năng suất cao trong tương lai. Gene đó là GIF1 (grain incomplete filling).

Biện pháp thường được áp dụng để tìm hiều chức năng của gene là tạo các đột biến thông qua các can thiệp chèn ngẫu nhiên làm thay đổi cấu trúc và chức năng các gene. Với phương pháp này có thể dẫn đến bất hoạt gene. Các nhà khoa học Trung Quốc đã sử dụng phương pháp này để tìm kiếm trong quần thể lúa đột biến những cá thể có quá trình vào mẩy kém hay hoàn toàn không sảy ra (trong trường hợp này các gene quyết định quá trình vào mẩy của những cá thể này đã bị ảnh hưởng ở các mức độ khác nhau).

Trong số những đột biến thu được, biến đổi của gif1 đã làm chậm quá trình đông sữa và vào mẩy của hạt lúa làm cho hạt lúa nhỏ đi, mềm, nhẹ và có lượng tinh bột thấp hơn so với những hạt không mang gif1 đột biến. Những khác biệt này có thể khó phát hiện bằng mắt thường. Các phương pháp kiểm tra tiếp theo đã xác định GIF1 mã hóa enzyme ở vách tế bào có chức năng xúc tác quá trình thủy phân (bẻ gãy) các phân tử đường để hình thành tinh bột.

Một kết quả ngạc nhiên nữa là gene GIF1 điều khiển quá trình chuyển hóa này trong mô mạch của hạt lúa (phần cấu tạo được biết đến với chức năng vận chuyển chất dinh dưỡng bao gồm cả đường) đến phần hạt đang phát triển. Phát hiện này, ở một góc độ nào đó, được cho là "không mong muốn" bởi vì enzyme thủy phân đường sucrose được sử dụng bởi nhiều loại tế bào khác nhau.

Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu và phát hiện có sự khác nhau trong mức độ biểu hiện của GIF1 lúa hoang và lúa trồng tại ở các mô khác nhau như noãn, vỏ hạt v.v. Theo các nhà khoa học, đây có thể là kết quả của quá trình tích lũy các đột biến sảy ra đối với gene điều hòa. GIF1 được cho là một trong những gene được chọn lọc trong suốt lịch sử canh tác lúa. Trải qua hàng ngàn năm được trồng và chọn lọc, các quần thể mang GIF1 biến đổi có lợi đã được giữ lại và cũng vì nguyên do đó, theo GS Mã (trưởng nhóm nghiên cứu), GIF1 đã biểu hiện chức năng đặc biệt tại mô mạch làm tăng kích thước và độ chắc của hạt lúa. Hy vọng hơn, các thiệp làm tăng độ hiện của gene GIF1 có triển vọng giúp nâng cao năng suất lúa, tạo nguồn cho các giống lúa lai.

Kết quả được đăng tải trên tạp chí Nature genetics

Titile: Control of rice grain-filling and yield by a gene with a potential signature of domestication

Grain-filling, an important trait that contributes greatly to grain weight, is regulated by quantitative trait loci and is associated with crop domestication syndrome1, 2, 3, 4. However, the genes and underlying molecular mechanisms controlling crop grain-filling remain elusive. Here we report the isolation and functional analysis of the rice GIF1 (GRAIN INCOMPLETE FILLING 1) gene that encodes a cell-wall invertase required for carbon partitioning during early grain-filling. The cultivated GIF1 gene shows a restricted expression pattern during grain-filling compared to the wild rice allele, probably a result of accumulated mutations in the gene's regulatory sequence through domestication. Fine mapping with introgression lines revealed that the wild rice GIF1 is responsible for grain weight reduction. Ectopic expression of the cultivated GIF1 gene with the 35S or rice Waxy promoter resulted in smaller grains, whereas overexpression of GIF1 driven by its native promoter increased grain production. These findings, together with the domestication signature that we identified by comparing nucleotide diversity of the GIF1 loci between cultivated and wild rice, strongly suggest that GIF1 is a potential domestication gene and that such a domestication-selected gene can be used for further crop improvement