Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Nghiên cứu công bố trên tạp chí The Plant Cell do Gloria và cộng sự tại Đại học New York (NYU) thực hiện đã phát triển một mô hình tích hợp giữa trí tuệ nhân tạo (AI) và dữ liệu di truyền học nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng nitơ (nitrogen use efficiency - NUE) ở cây ngô. Mục tiêu của nghiên cứu là cải thiện năng suất cây trồng và giảm chi phí phân bón, trong bối cảnh nhu cầu sử dụng nitơ ở cây ngô cao nhưng hiệu quả hấp thu vẫn còn hạn chế.

Trong 50 năm qua, những tiến bộ trong công nghệ lai tạo giống và chế độ phân bón đã góp phần tăng năng suất nông nghiệp. Tuy nhiên, thực tế cho thấy chỉ khoảng 55% lượng nitơ trong phân bón được cây trồng hấp thu, phần còn lại tồn lưu trong đất, thấm vào nguồn nước ngầm hoặc bị chuyển hóa thành khí nhà kính nitơ oxit (N₂O) - một trong những chất gây biến đổi khí hậu mạnh gấp 265 lần CO₂.

Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu tại Đại học New York đã sử dụng phương pháp "từ mô hình đến cây trồng" (model-to-crop) nhằm xác định các gen liên quan đến NUE bằng cách so sánh biểu hiện gen ở ngô và Arabidopsis thaliana. RNA từ cả hai loài được giải trình tự nhằm đánh giá phản ứng của hệ gen đối với xử lý nitơ. Sau đó, các mô hình học máy được huấn luyện để nhận diện các gen phản ứng với nitơ, đồng thời xác định các yếu tố phiên mã điều hòa các nhóm gen này.

Hiệu quả sử dụng nitơ được điều khiển bởi nhóm gen (regulons), được kích hoạt hoặc ức chế bởi cùng một yếu tố phiên mã (một loại protein điều hòa). Với mỗi “Regulon NUE” được đánh giá, phân tích dựa trên mức độ biểu hiện gen có thể dự đoán chính xác hiệu quả sử dụng nitơ của các giống ngô được trồng ngoài thực địa. Các Regulon NUE được đánh giá xếp hạng cao nhất thông qua mô hình máy, tiếp tục được kiểm chứng thông qua thực nghiệm tế bào ở cả hai loài để củng cố độ tin cậy của mô hình học máy và chứng minh tính bảo tồn chức năng của các regulon trong quá trình tiến hóa.

Kết quả cho thấy hai yếu tố phiên mã ở ngô (ZmMYB34/R3) điều khiển 24 gen liên quan đến việc sử dụng nitơ, cũng như như một yếu tố phiên mã ở Arabidopsis (AtDIV1) điều hòa 23 gen mục tiêu có cùng chức năng. Điều này cho phép các nhà khoa học cây trồng lai tạo hoặc biến đổi giống ngô có nhu cầu phân bón thấp hơn.

Nghiên cứu này mở ra hướng tiếp cận mới trong chọn tạo giống bằng chỉ thị phân tử, cho phép sàng lọc các giống ngô có hiệu quả sử dụng nitơ cao ngay từ giai đoạn cây con mà không cần thử nghiệm ngoài đồng ruộng. Phương pháp này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất, mà còn giảm tác động tiêu cực từ ô nhiễm nitơ đến nguồn nước ngầm và phát thải khí nhà kính.

 Nguồn: sciencedaily.com