Kỹ thuật tinh chỉnh di truyền giúp cây lúa hấp thụ nhiều phân bón hơn, tăng cường quang hợp và thúc đẩy quá trình ra hoa. Ảnh: JXFZSY/ISTOCK
Kỹ thuật tinh chỉnh di truyền này cũng hứa hẹn tăng năng suất cây trồng đối với lúa mì và nhiều loại cây trồng khác. Bằng cách cho một giống lúa Trung Quốc bản sao thứ hai của một trong những gen của chính nó, các nhà nghiên cứu đã tăng năng suất lúa lên tới 40%.
“Sự thay đổi này đã giúp cây trồng hấp thụ nhiều phân bón hơn và tăng cường khả năng quang hợp, cũng như thúc đẩy quá trình ra hoa. Tất cả đều có thể góp phần vào mục tiêu tăng năng suất, đảm bảo an ninh lương thực”, đại diện nhóm các nhà khoa học tại Học viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc báo cáo trên tạp chí Science.
Matthew Paul, một nhà di truyền học thực vật tại Rothamsted Research, người không tham gia vào công trình này cho biết, năng suất thu được từ một gen duy nhất có sự phối hợp nhiều tác động này là thực sự ấn tượng. "Tôi không nghĩ rằng đã từng thấy bất cứ điều gì tương tự như vậy trước đây", ông Paul cho biết thêm, cách tiếp cận này cũng có thể được thử nghiệm trên các loại cây trồng khác, tiêu biểu là lúa mì.
Năng suất cây trồng là vấn đề rất phức tạp vì nhiều gen tương tác ảnh hưởng đến năng suất mùa vụ. Trong nhiều năm, các nhà công nghệ sinh học đã tìm kiếm các gen đơn lẻ làm tăng năng suất mà không thu được tiến triển.
Trong những năm gần đây, họ đã chuyển sự quan tâm sang các gen kiểm soát các gen khác và do đó có nhiều khía cạnh sinh lý học, chẳng hạn như lấy chất dinh dưỡng từ đất, thiết lập tốc độ quang hợp và điều chuyển tài nguyên từ lá sang hạt.
Việc sửa đổi một gen quy định như vậy ở ngô sẽ cho năng suất cao hơn 10% - đánh dấu một lợi ích lớn so với mức tăng 1% mỗi năm của hoạt động nhân giống cây trồng truyền thống.
Để tìm ra các chất thúc đẩy năng suất ứng cử viên khác, một nhóm do nhà sinh lý học cây trồng Wenbin Zhou thuộc Học viện Khoa học Nông nghiệp Trung Quốc (CAAS) dẫn đầu đã nghiên cứu 118 gen điều hòa lúa và ngô, mã hóa các protein được gọi là yếu tố phiên mã, mà các nhà nghiên cứu khác trước đây đã xác định là có khả năng quan trọng trong quang hợp.
Nhóm của ông Zhou đã tìm cách tìm xem liệu có bất kỳ gen nào được kích hoạt trên cây lúa trồng trên đất có hàm lượng nitơ thấp hay không, vì những gen như vậy có thể thúc đẩy sự hấp thụ chất dinh dưỡng. Việc tăng cường hoạt động của chúng trên lúa trồng trên đất thông thường có thể thúc đẩy cây hút nhiều nitơ hơn - và tạo ra nhiều hạt hơn.
Kết quả đã tìm thấy 13 gen trội khi cây lúa được trồng trên đất nghèo đạm; và 5 gen dẫn đến sự tăng hấp thu nitơ gấp bốn lần hoặc lớn hơn. Sau đó họ đã chèn thêm một bản sao của một trong những gen, được gọi là OsDREB1C vào một giống lúa có tên Nipponbare được sử dụng để nghiên cứu. Họ cũng loại bỏ gen ở các cây lúa riêng lẻ khác.
Các thí nghiệm trong nhà kính của các nhà khoa học Shaobo Wei và Xia Li thuộc CAAS cho thấy, cây lúa không có gen này phát triển kém hơn cây đối chứng, trong khi những cây lúa có thêm bản sao của OsDREB1C phát triển nhanh hơn và có bộ rễ dài hơn.
Dinh dưỡng tốt là một lý do: Máy dò đồng vị cho thấy, những cây lúa có thêm các bản sao của OsDREB1C sẽ lấy thêm nitơ qua rễ của chúng và di chuyển nhiều nitơ hơn đến thẳng bông. Các cây lúa được điều biến gen cũng quang hợp tốt hơn; chúng có thêm khoảng một phần ba lục lạp, cơ quan quang hợp trong tế bào thực vật, trong lá của chúng và nhiều hơn khoảng 38% RuBisCO, một loại enzym quan trọng trong quá trình quang hợp.
Sau khi được trồng thí điểm trên đồng ruộng trong vòng 2 đến 3 năm, giống lúa tinh chỉnh gen này cho năng suất cao hơn tại ba địa điểm ở Trung Quốc với khí hậu từ ôn đới đến nhiệt đới.
Quan trọng hơn, các nhà nghiên cứu cũng biến đổi một giống lúa năng suất cao thường được nông dân trồng bằng cách thêm một bản sao gen bổ sung. Các nhà nghiên cứu báo cáo rằng, những cây lúa đã được tinh chỉnh gen này tạo ra nhiều hạt hơn tới 40% trên mỗi ô thửa so với đối chứng.
Pam Ronald, một nhà di truyền học lúa gạo tại Đại học California, Davis, mô tả: “Đó là một con số lớn, đáng kinh ngạc". Giống như trong các thí nghiệm trong nhà kính, các cây trồng được biến đổi trên đồng ruộng cho cả hạt to hơn và nhiều hạt hơn. Steve Long, nhà sinh lý học thực vật tại Đại học Illinois, Urbana-Champaign, cho biết: “Những gì họ đã làm là chọn ra một (giống lúa) rất tốt và chứng minh được rằng họ có thể làm cho nó tốt hơn, thuyết phục hơn rất nhiều, so với việc cải tiến nhiều cách nghiên cứu”.
Kết quả là các cây lúa được tinh chỉnh di truyền này cũng trỗ sớm hơn, có thể mang lại những lợi thế tùy thuộc vào môi trường. Ví dụ, nông dân có thể trồng nhiều vụ hơn mỗi mùa hoặc thu hoạch trước khi nhiệt độ mùa hè bắt đầu. “Một lợi ích khác là việc tăng hiệu quả sử dụng nitơ của cây trồng có thể làm giảm ô nhiễm các sông suối và ao hồ do lượng phân bón dư thừa chảy ra ngoài đồng ruộng”, ông Pam Ronald nói và cho hay, quá trình quang hợp được cải thiện sẽ rất quan trọng để mở ra thêm nguồn cung cấp lương thực toàn cầu.
