Gene chống chịu ngập úng

Thiệt hại do ngập úng có thể làm giảm 25% sản lượng lúa gạo trên toàn thế giới. Hầu hết các giống lúa hiện được trồng rộng rãi chỉ có khả năng chịu ngập nước khoảng vài ngày. Một số giống có khả năng chịu ngập tốt hơn nhưng sản lượng lại thấp. Các nhà khoa học đã tìm kiếm những gene giúp lúa chịu úng và tìm cách đưa những gene này vào lúa có sản lượng cao.

Vào năm 2006, nhóm nghiên cứu của David Mackill tại Viện lúa quốc tế (IRRI) có trụ sở ở Philippin đã phát hiện các gene tương tự gene chịu úng. Nhóm gene này được đặt tên Submergence 1 giúp lúa trở về "trạng thái nghỉ" và có thể chịu được ngập hơn hai tuần. Ở trạng thái này, có thể tưởng tượng là lúa "thở dưới nước"!

Ashikari và các đồng nghiệp tại ĐH Nagoya, ĐH Kyushu, Viện nguồn lợi sinh học nông nghiệp Tsukuba (Nhật Bản) đã nghiên cứu ba vùng trong bộ gene có khả năng ảnh hưởng đến sự phát triển của lúa. Tại vùng có ảnh hưởng lớn nhất, một cặp gene đã được xác định và đặt tên là SNORKEL1 và SNORKEL2. Cặp gene này có thể biểu hiện đồng thời dẫn đến tăng chiều cao thêm 80 cm trên mặt nước!

Mô hình thí nghiệm nghiên cứu gene chịu úng của lúa. Hình a: Mô tả đáp ứng của lúa khi bị ngập. Dry: Mực nước dưới mătk đất; DW: Ngập nước; TIL: Chiều dài giữa các dóng trên thân cây. Hình b: Đáp ứng của các loại lúa lúa khác nhau (T65, C9285 và NIL-12) với nước ngập (DW) so với điều kiện bình thường (Dry). Các vòng tròn màu đỏ chỉ vị trí của các gene quy định chất lượng gạo. Hình c: Đánh giá khả năng đáp ứng với ngập nước của các loại lúa khác nhau (T65, C9285, TIL-12). Hình d: Cấu trúc gene của SK1 và SK2. Hình e: Các domain khác nhau của gene SK1 và SK2 Hình f: Phân tích biểu hiện của gene SH trên các loại lúa T65 và C9285. Hình g: Biểu hiện của SK ở các phần khác nhau trên cây lúa: Hình h: Tăng chiều dài dóng ở lúa thí nghiệm được chuyển gene SK .Nguồn Nature

Khi lúa bị ngập, ethylene (một loại hormone thực vật) được tích tụ và kích thích hai gene này. Biều hiện của chúng dẫn đến tăng chiều cao cây thông qua tác dụng của gibberellin (cũng là một loại hormone thực vật).

Các chuyên gia cho rằng nếu tình trạng ngập sảy ra nhanh thì gene Submergence có vai trò quan trọng nhưng nếu tình trạng ngập kéo dài thì cặp gene SNORKEL1 và SNORKEL2 sẽ thể hiện ưu thế giúp lúa "bảo toàn sự sống"! Như vậy, cả Submergence và SNORKEL đều có vai trò quan trọng và khả năng ứng dụng rất lớn.

Nếu các gene này được chuyển thành công vào các giống cho năng suất cao sẽ giúp hạn chế thiệt hại do ngập úng tại các vùng đất thấp và chịu ảnh hưởng thường xuyên của bão lụt và xa hơn là ảnh hưởng của nước biển dâng cao. Đây cũng là cơ sở để chúng ta hy vọng thêm nhiều người sẽ không phải chịu đói do lụt lội phá hủy mùa màng.

Một điều thú vị là ethylene có thể kích thích cả hai phương thức chống chịu của cây (duy trì khả năng hô hấp dưới nước và kích thích tăng trưởng khi bị ngập) nhưng dường như chọn lọc tự nhiên đã làm biến đổi nhiều khả năng vốn có của thực vật. Theo các nhà khoa học, có thể đột biến Snorkel đã sảy ra trước đột biến của Submergence. Hiện tại chỉ có một số loại lúa hoang có gene SKORKEL trong khi Submergence chỉ có ở các giống lúa trồng.

Công trình gây tiếng vang này được công bố gần như đồng thời với thành công trong nghiên cứu gene kháng bệnh đạo ôn của nhóm các nhà khoa học Nhật Bản.