Chọn tạo giống cây trồng chịu mặn

Xói mòn đất được xem là một vấn đề đẩy dinh dưỡng của con người vào trạng thái nguy hiểm. Một trong những khía cạnh của xói mòn đất là sự nhiễm mặn đất, nó ảnh hưởng đến những vùng khô hạn đặc biệt của trái đất, nơi mà nông dân buộc phải tưới nước đẫm cho các cánh đồng của họ. Số lượng lớn muối được hòa tan trong nước, ví dụ như natri và clorua, được khuếch tán vào đất và ở lại đó sau khi nước bốc hơi đi. Muối làm cho cây trồng còi cọc, chậm phát triển và thậm chí, về lâu dài nó có thể làm cho đất trở nên cằn cỗi.

Cây diêm mạch (Chenopodium quinoa)

Giáo sư Rainer Hedrich, nhà khoa học thực vật tại Đại học Julius-Maximilians (JMU),Würzburg ở Bavaria, Đức, cho biết: “Cho tới nay, tất cả các cách tiếp cận để chọn tạo các cây trồng chịu mặn cần phải được quan tâm nhiều hơn hoặc ít thất bại hơn”. Tất cả chúng đều nhằm mục đích tạo ra cây trồng sinh trưởng trên nền đất mặn và để xác định các dòng chịu mặn trong quá trình chọn tạo. Nhưng cách tiếp cận này không thể tiến hành được.

Hedrich giải thích: “Cây trồng của chúng ta là kết quả của nhiều năm chọn tạo giống cây trồng. Trong thời gian đó, con người đã che chở chúng khỏi hầu như mọi ảnh hưởng tiêu cực của môi trường, vì thế chúng mất đi nhiều khả năng phục hồi tự nhiên. Vì thế, các dòng ưu tú này thường sẽ chết ngay khi tiếp xúc với quá nhiều muối”.

Các cây trồng chịu mặn đáp ứng như là một mô hình

Do vậy, Rainer Hedrich, cùng với Giáo sư Sergey Shabala (Đại học Tasmania) bắt đầu phát triển một chiến lược mới. Hai nhà khoa học đặt hy vọng vào những cây trồng có khả năng chịu mặn một cách tự nhiên.

Một loại cây như thế là cây diêm mạch (Chenopodium quinoa). Cây có nguồn gốc từ Andes, nơi mà nó đã và đang được sử dụng như một loại lương thực trong suốt 7.000 năm. Trong khi đó, loại hạt không chứa gluten và giàu vitamin của cây ngũ cốc Nam Mỹ này đã và đang tìm đường vào các kệ hàng của siêu thị Châu Âu.

Cây hấp thụ muối từ đất và cất giữ nó trong các tế bào hình bóng ở trên bề mặt lá. Điều này bảo vệ các quá trình chuyển hóa muối nhạy cảm, và cây trồng có thể sinh trưởng tốt ngay cả trên đất mặn.

Cây diêm mạch sẽ bị stress mặn nếu không có các tế bào bong bóng.

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra một cách đơn giản để chứng minh rằng các tế bào bong bóng thực sự là yếu tố đảm bảo tính chịu mặn của cây. Giáo sư Shabala cho biết: "Chỉ cần một vài cú chải nhẹ lên lá cây diêm mạch là đã làm cho các tế bào hình bóng bị rơi xuống. Khi bị mất đi các bong bóng muối, những cây này chỉ sinh trưởng tốt trên nền đất không mặn giống như các cây không bị chải. Nhưng việc tiếp xúc với muối thông thường sẽ làm cho chúng sinh trưởng chậm đi đáng kể.

Các tế bào bong bóng hình tròn đến hình bầu dục của cây diêm mạch có đường kính gần nửa milimet. Chúng là những gã khổng lồ thực sự trong giới thực vật, và có thể thường xuyên được nhìn thấy bằng mắt thường. Khả năng lưu trữ của chúng cao gấp 1000 lần so với bất kỳ tế bào bình thường nào của bề mặt lá.

Giá của việc loại bỏ muối là đường.

Để có được một cái nhìn sâu sắc về “hệ điều hành” của cây diêm mạch và các tế bào bong bóng của nó, nhóm làm việc của giáo sư Jian-Kang Zhu (Đại học Thượng Hải) đã giải mã DNA của ngũ cốc Andes. Sau đó, nhóm nghiên cứu của giáo sư Hedrich đã so sánh các gen hoạt động của lá và các tế bào bong bóng. Các phân tích tin sinh cần thiết được thực hiện bởi các chuyên gia của trường Đại học Thượng Hải và của nhóm Georg Haberer đến từ Trung tâm Helmholtz Munich.

Kết quả: Ngay cả khi không xử lý muối thì cũng vẫn có các gen hoạt động trong các tế bào bong bóng, trong khi đó các gen này ở những loài cây khác thì chỉ hoạt động khi cây sống trong môi trường stress mặn. Chúng bao gồm các chất vận chuyển mang các ion natri và clorua vào trong tế bào bong bóng. Một kích thích với muối sẽ kích hoạt các gen cần thiết để duy trì đường dẫn tín hiệu cho các hormone gây stress ABA.

Hedrich giải thích, “Sự lưu giữ muối cần tiêu thụ năng lượng. Năng lượng này được sinh ra bởi các tế bào bong bóng từ các phân tử đường mà chúng nhận được ở các lá cây. Các tế bào bong bóng nhận năng lượng cần thiết từ lá và phản ứng lại bằng cách hấp thụ muối độc”.

Đưa tính chịu mặn vào các cây trồng.

Các phát hiện mới đã được công bố trên tạp chí Cell Reports. Chúng sẽ được sử dụng lâu dài cho việc chọn tạo các giống cây trồng chịu mặn. Giáo sư Hedrich nói: "Bước đầu tiên được thực hiện. Bây giờ chúng ta sẽ sử dụng kết hợp giữa di truyền học phát triển và phân tích chức năng của các protein vận chuyển muối để hiểu về các cơ chế phân tử tạo ra và duy trì tính chịu mặn ở cây diêm mạch".

Nhóm nghiên cứu của trường Đại học JMU muốn tìm hiểu các dòng diêm mạch được trang bị rất nhiều hoặc rất ít các bong bóng muối. Đội có một nguồn vật liệu lớn để tiếp cận: khoảng 2.000 giống trồng và giống hoang dại của cây diêm mạch được biết cho tới hiện nay được thu thập từ Andes. Kết quả cuối cùng của công việc họ làm có thể không chỉ là việc chọn tạo các giống diêm mạch có tính chịu mặn cao hơn mà còn là việc lai tạo các gen chịu mặn vào các giống giống cây trồng liên quan như cây củ cải đường hoặc cây rau cải bó xôi.

Nguyễn Thị Hồng Nhung theo Sciencedaily