Vài khám phá mới cho nông nghiệp

VÀI KHÁM PHÁ MỚI CHO NÔNG NGHIỆP

Trần Đăng Hồng PhD

Theo ước tính của Liên Hiệp Quốc năm 2015 thì dân số thế giới sẽ tăng lên 9,7 tỉ người vào năm 2050, tức gia tăng 57% kể từ năm 2000. Tìm thực phẩm để nuôi thêm số dân trên 2,5 tỉ người là nhiệm vụ của mọi chính phủ, và cơ quan quốc tế. Các nhà khoa học, dĩ nhiên, là kẻ tiên phong đi tìm giải pháp khoa học trong vấn đề gia tăng năng xuất trong các điều kiện hạn chế về đất đai, thiếu nước, môi trường xấu, hạn hán, nhiệt độ gia tăng toàn cầu v.v.

Khám phá gen mới AtPAP2 tăng cường lục hóa và gia tăng năng xuất. Nhóm nghiên cứu của Đại Học Hồng Kông (HKU) vừa khám phá được một gen mới có tên AtPAP2 từ loài cải Arabidopsis thaliana, gen này có tiềm năng gia tăng năng xuất toàn cây lên 38% và năng xuất hạt tới 57%.

Hình 1. So sánh cây chứa gen AtPAP2 với cây dẫn chứng (control) trồng trong các điều kiện ngày ngắn và ngày dài.

Gen AtPAP2, viết tắt từ “Purple acid phosphatase 2", có hai vai trò sản xuất năng lượng ở lục lạp (chloroplast) và mitochondria trong tế bào. Ở lục lap, hiện tượng lục hóa xảy ra, lá hấp thụ khí CO₂ của không khí dưới ảnh hưởng của ánh sáng biến thành chất đường. Chất đường là chất cấu tạo của tế bào và làm cây tăng trưởng, tạo sinh khối (biomass) và hạt. Mitochondria xử dụng đường do lục hóa cung cấp sản xuất ATP (adenosine triphosphate) là nguồn năng lượng của các biến dưởng ở tế bào.

Đây chỉ là kết quả bước đầu. Đưa gen này vào bộ di truyền của cây lương thực để gia tăng năng xuất còn là một tiến trình lâu dài và nhiều thử thách.

Khám phá gen SYNTAXIN 132 giúp cây định đạm nitrogen từ không khí.

Hình 2. Hệ thống sợi nấm và bào tử nấm cộng sinh trong đất giúp cây hấp thụ dưỡng chất từ đất

Hình 3. Bào tử nấm cọng sinh trong rễ lúa mì

Rễ của 80% loài cây có mạch sống cọng sinh với loài nấm trong tộc Glomeromycota mang tên AMF (arbuscular mycorrhizal fungus). Sợi nấm AMF sống chằng chịt và mang bào tử ở trong đất (Hình 1). Chính nấm làm hòa tan các khoáng thạch (ở dạng không hòa tan) của đất rồi hấp thụ vào cơ thể, và xâm nhập vào màng tế bào của rễ (Hình 3), cung cấp cho rễ dưỡng chất mà nó đã hấp thụ từ đất như N (đạm), P (lân), K (bồ tạt), S (lưu huỳnh) và nhiều bần tố cần thiết cho cây sinh trưởng. Nhờ các loại nấm cọng sinh này mà cây sinh trưởng tốt ở mọi loại đất, nơi nào nấm AMF sinh trưởng. Tuy nhiên, số lượng chất đạm (N) rất giới hạn trong đất, nên AFM không cung cấp đủ nhu cầu cho cây. Vì vậy, bón phân N rất quan trọng để gia tăng năng xuất. Nghiên cứu về cọng sinh giữa nấm và cây hoa màu đã thực hiện từ hơn 40 năm qua, và đã hiểu rỏ vai trò của nấm cọng sinh AMF trong đất.

Ai đã từng học canh nông đều biết rễ cây họ đậu và một ít thực vật khác như bèo hoa dâu Azolla, có khả năng định đạm (nitrogen fixation). Vi khuẩn rhizobium sống trong đất, xâm nhập vào rễ cây đậu để lấy chất đường của cây sinh sống, nhưng đồng thời vi khuẫn rhizobium hấp thụ nitrogen từ không khí biến thành ammonia và chất này làm phân đạm cho cây. Cây đậu và vi khuẩn rhizobium sống cọng sinh (symbiosis) với nhau, nương tựa nhau mà sống, cây đậu cung cấp chất đường cho vi khuẩn và vi khuẩn cung cấp phân ammonia cho cây đậu.

Câu hỏi được đặt ra là tại sao vi khuẩn rhizobium chỉ xâm nhập vào rễ cây đậu để sống cọng sinh, mà không vào rễ cây khác như lúa bắp để cọng sinh?

Nhóm khoa học gia về sinh học phân tử thuộc University of Massachusetts, Amherst xử dụng cây họ đậu Medicago truncatula và khám phá ra gen SYNTAXIN 132 là tác nhân chủ động “mời” vi khuẩn cọng sinh rhizobium đến cọng tác. Bài khoa học đăng tải trên Nature Plants ngày 12/1/2016 vừa công bố.

Nhóm nghiên cứu khám phá gen SYNTAXIN 132 mã hóa SYP132, chất protein này làm căn cước xác định là chủ nhân mời mọc vi khuẩn rhizobium đến. Và một khi vi khuẫn rhizobium đã vào được rễ cây đậu thì gen này tạo thêm một protein khác làm màng bao bọc rhizobium để tạo thành nốt đậu và thâu hoạch phân ammonia do rhizobium sản xuất.

Kết quả khám phá gen SYNTAXIN 132 là tiền đề nghiên cứu khác, đưa gen này vào loại cây hoa màu khác như họ Hòa Bảng (lúa , lúa mì, v.v.) để cây hoa màu có thể định đạm từ không khí, mà N chiếm tới 78% trong không khí.

Reading, 20/1/2016