Argelia Lorence - nhà hóa sinh thực vật tại Đại học Bang Arkansas (Hoa Kỳ), chuyên nghiên cứu về tác động của nhiệt độ lên cây lúa nhận định rằng, đây là một đột phá lớn, phát hiện này có thể có ý nghĩa rộng hơn, bởi gen này cũng xuất hiện ở các loại ngũ cốc khác như lúa mì và ngô - những cây trồng đang phải đối mặt với những thách thức tương tự trong bối cảnh khí hậu ngày càng nóng lên.
Tại Hà Nội, Việt Nam, người dân trồng lúa vào ban đêm để tránh cái nóng mùa hè đang gia tăng ở Đông Nam Á (nguồn: Nhac Nguyen/AFP qua Getty Images).
Gen QT12 bảo vệ năng suất và chất lượng lúa
Nhiệt độ tăng đang trở thành mối đe dọa nghiêm trọng và ngày càng rõ rệt đối với sản xuất lúa. Một nghiên cứu đáng chú ý do Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) tại Philippines thực hiện vào năm 2004 cho thấy, năng suất lúa giảm tới 10% cho mỗi độ C nhiệt độ không khí ban đêm tăng lên, tính từ giai đoạn 1979 đến 2003. Đáng lo ngại hơn, tại nhiều vùng trồng lúa ở châu Á và châu Phi, nhiệt độ ban đêm đang tăng với tốc độ nhanh gấp đôi so với ban ngày.
Trước tình hình đó, năm 2012, một nhóm nhà khoa học tại Trung Quốc đã bắt đầu tìm kiếm các giống lúa có khả năng chịu nhiệt tốt hơn. Dưới sự dẫn dắt của nhà di truyền học thực vật Yibo Li tại Đại học Nông nghiệp Huazhong, nhóm nghiên cứu đã trồng thử nghiệm 533 giống lúa tại 4 địa điểm có nền nhiệt ban đêm cao. Sau khi thu hoạch, họ đánh giá mức độ vôi hóa của hạt bằng cách đếm số hạt chuyển sang màu trắng, thay vì trong suốt như bình thường. Hai giống lúa: Chenghui448 và OM1723 nổi bật với khả năng chống chịu tốt. Nhóm nghiên cứu tiến hành lai ghép hai giống này và theo dõi các dấu ấn di truyền trong thế hệ lai, từ đó xác định được một gen quan trọng liên quan đến khả năng chịu nhiệt và duy trì chất lượng hạt. Gen này nằm trên nhiễm sắc thể số 12, được đặt tên là QT12.
Các thí nghiệm tiếp theo đã giúp làm sáng tỏ cơ chế mà QT12 gây ra hiện tượng vôi hóa hạt lúa khi nhiệt độ tăng cao. Ở điều kiện bình thường, ba yếu tố phiên mã phối hợp với nhau để điều chỉnh hoạt động của gen này. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng, một trong ba yếu tố bị tách ra và liên kết với vùng khởi động của QT12, kích hoạt gen hoạt động mạnh hơn.
Sự thay đổi trong điều hòa gen này gây rối loạn một cơ quan tế bào quan trọng gọi là lưới nội chất, cơ quan này giúp gấp các protein và vận chuyển phân tử. Hậu quả là trong nội nhũ, mô tạo nên hạt lúa, quá trình sản xuất protein bị suy giảm trong khi tinh bột lại tích tụ nhiều hơn. Tinh bột bị “đóng gói” không đều, khiến hạt lúa có màu trắng đục - dấu hiệu đặc trưng của hiện tượng vôi hóa. Các hạt lúa cũng trở nên giòn và dễ vỡ trong quá trình xay xát, gạo nấu ra có vị bột hơn.
Các thí nghiệm cắt ghép gen đã củng cố mối liên hệ giữa QT12 với cả chất lượng và sản lượng hạt. Khi các nhà nghiên cứu loại bỏ QT12 khỏi một giống lúa nhạy cảm với nhiệt, cây biến đổi gen vẫn giữ được năng suất ổn định, trong khi cây không biến đổi gen bị giảm tới 58% số hạt.
Phát hiện này khiến các nhà khoa học tin rằng, chỉnh sửa gen, dù còn nhiều thách thức trong việc ứng dụng đại trà lên các giống lúa thương mại, có thể sẽ trở thành một công cụ quan trọng để tăng khả năng chống chịu nhiệt cho cây lúa trong tương lai.
Phương pháp lai tạo giống truyền thống cũng cho thấy tiềm năng rõ rệt trong việc cải thiện khả năng chịu nhiệt cho cây lúa. Nhóm nghiên cứu của GS Yibo Li đã xác định được một số biến thể, hay alen của QT12 không bị kích hoạt dưới điều kiện nhiệt độ cao. Họ đã đưa hai alen này từ giống lúa chịu nhiệt Chenghui448 vào giống Huazhan, một giống lúa nhạy cảm với nhiệt nhưng được sử dụng rộng rãi để sản xuất lúa lai tại Trung Quốc. Kết quả thử nghiệm thực địa rất khả quan: giống Huazhan biến đổi cho năng suất vượt trội, tăng từ 31 đến 78% so với Huazhan thông thường, tùy thuộc vào địa điểm trồng. Hơn nữa, tỷ lệ hạt gạo bị vôi hóa cũng giảm mạnh, chỉ còn 10%, so với 60% ở giống ban đầu.
Nhóm của GS Yibo Li cũng chỉ ra rằng, các alen bảo vệ không phải là hiếm trong phân loài indica của lúa (loài có khả năng chịu nóng tốt hơn so với phân loài japonica - loại chủ yếu được trồng ở các khu vực có khí hậu lạnh hơn ở châu Á). Qua việc phân tích 4726 giống lúa từ khắp nơi trên thế giới, họ phát hiện rằng 18% giống có alen chịu nhiệt QT12, nhưng không có giống nào thuộc phân loài japonica có alen này. Điều này cho thấy rằng, trong quá khứ, các nhà lai giống hoặc nông dân ở vùng vĩ độ thấp có thể đã vô thức chọn lọc những alen có lợi này trong quá trình canh tác, như một cách tự nhiên để bảo vệ mùa màng trước tác động của nhiệt độ cao (dù chưa hề biết đến vai trò di truyền cụ thể của chúng).
Cơ hội mới cho lai tạo giống chịu nhiệt
GS Yibo Li cho biết, trường đại học của ông đã ký kết thỏa thuận hợp tác với các công ty lớn về lai giống lúa tại Trung Quốc để phát triển các giống lúa mới có khả năng chịu nhiệt tốt hơn. GS Yibo Li hy vọng nghiên cứu của họ sẽ thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà lai giống và sớm được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất.
Nese Sreenivasulu, chuyên gia nghiên cứu chất lượng lúa tại Viện Nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) nhận định rằng, phát hiện về gen QT12 có thể mang lại lợi ích lớn nhất cho các giống japonica đang được trồng ở những vùng khí hậu ôn đới - nơi các giống lúa hiện nay đặc biệt nhạy cảm với nhiệt độ cao.
LB (lược dịch theo Science)