Các nhà khoa học xác định cơ chế chịu trách nhiệm cho sự phát triển của quả và hạt ở thực vật có hoa

Với nhiệt độ toàn cầu tăng cao và quần thể sinh vật thụ phấn giảm dần, việc sản xuất lương thực ngày càng trở nên khó khăn đối với những người trồng trọt trên thế giới. Một nghiên cứu mới từ các nhà nghiên cứu tại Khoa Sinh học Tế bào và Di truyền Phân tử của Đại học Maryland đã cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thực vật có hoa phát triển quả và hạt. “Việc hiểu rõ quá trình này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì các loại cây lương thực phổ biến - như lạc, ngô, gạo và dâu tây - đều là trái cây và hạt có nguồn gốc từ hoa,” Zhongchi Liu, tác giả cao cấp của nghiên cứu và là giáo sư Sinh học tế bào và Di truyền phân tử, cho biết. "Việc biết cách thực vật 'quyết định' biến một phần hoa của chúng thành quả và hạt là điều quan trọng đối với nông nghiệp và nguồn cung cấp thực phẩm của chúng ta".

Trong nghiên cứu, Liu và nhóm của bà đã nhắm mục tiêu đến việc khám phá cách thức thụ tinh - hoặc thụ phấn - kích hoạt một cây có hoa bắt đầu quá trình phát triển quả. Nhóm nghiên cứu nghi ngờ rằng có một hệ thống liên lạc nội tại chịu trách nhiệm cho việc truyền tín hiệu cho cây phát triển quả, nhưng họ không chắc chắn làm thế nào hệ thống đó đang được kích hoạt bằng cách thụ tinh hoặc thụ phấn. Để tìm hiểu, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng cơ chế thụ phấn và phát triển quả bằng cách sử dụng cây dâu tây. Theo Liu, dâu tây đặc biệt thích hợp với mô hình thụ tinh do cấu trúc và vị trí hạt độc đáo của chúng. “Là một loại quả 'từ trong ra ngoài', hạt dâu tây dễ thao tác và quan sát hơn nhiều so với hạt của các loại quả khác như cà chua,” Liu giải thích. "Điều này giúp chúng tôi dễ dàng xem hạt giống và trích xuất thông tin di truyền từ chúng ở nhiều giai đoạn phát triển của cây."

Liu và nhóm của bà đã xác định được gen AGL62, một gen phổ biến ở tất cả các loài thực vật có hoa, là yếu tố kích hoạt sự tạo quả và hạt của cây. Theo Liu, gen AGL62 kích thích sản xuất một loại hormone tăng trưởng thực vật thiết yếu được gọi là auxin. Khi gen được kích hoạt, auxin sẽ được tổng hợp để thúc đẩy việc tạo ra lớp vỏ hạt, nội nhũ (phần của hạt cung cấp thức ăn cho phôi đang phát triển) và quả. Vai trò của auxin trong việc điều hòa sự phát triển của nội nhũ đặc biệt có ý nghĩa đối với các nhà nghiên cứu, vì nó ảnh hưởng đến kích thước của hạt và sự mở rộng của quả. “Mức độ auxin có thể hạn chế mức độ phát triển của nội nhũ và lượng dinh dưỡng mà nội nhũ có thể tích lũy cho phôi,” Liu nói. "Nhiều auxin hơn có thể làm tăng kích thước hạt và kích thích quả mở rộng. Khi có ít auxin hơn, nội nhũ không thể nuôi phôi một cách thích hợp và sẽ làm giảm năng suất cây trồng - quả nhỏ hơn hoặc bị biến dạng, không có giá trị thương mại."

Bằng cách sử dụng công nghệ chỉnh sửa gen CRISPR, Lei Guo, tác giả đứng đầu, đã phá hủy thành công chức năng gen AGL62. Kết quả là cây dâu tây không thể phát triển quả và hạt, cho thấy vai trò quan trọng của gen AGL62 trong quá trình này.

Trong tự nhiên, quá trình thụ phấn thúc đẩy gen AGL62 kích hoạt sản xuất auxin, một quá trình cần thiết cho sự phát triển hạt và quả tối ưu. Nhưng bằng cách xác định mối quan hệ giữa gen và hormone này, Liu và nhóm của cô đã đặt nền tảng có thể cho phép các nhà nông nghiệp bật gen AGL62 bằng cách sử dụng công nghệ sinh học, bỏ qua hoàn toàn quá trình thụ phấn - nói cách khác, tạo ra trái trinh sản. Liu tin rằng những phát hiện này đặc biệt quan trọng vào thời điểm hiện tượng ấm lên toàn cầu đang ảnh hưởng đến sản xuất lương thực trên toàn thế giới. “Nắng nóng khắc nghiệt giết chết cả các loài thụ phấn và phấn hoa, vì vậy biến đổi khí hậu là một thách thức lớn mà chúng ta phải vượt qua,” Liu nói. "Tìm hiểu thêm về gen AGL62 đã cho chúng ta cái nhìn mới về cách có khả năng tăng năng suất cây nông nghiệp, đặc biệt là những cây tạo nên nguồn cung cấp lương thực của chúng ta."

Nguồn: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/07/220712102744.htm