Tạo giống lúa lai hiệu quả hơn với kỹ thuật bất dục cái

Tạo giống lúa lai hiệu quả hơn với kỹ thuật bất dục cái

Nghiên cứu do Đại học Baptist Hồng Kông (HKBU) dẫn đầu liên quan đến việc sử dụng kỹ thuật bất dục cái có thể dẫn đến một bước đột phá trong sản xuất hạt giống lúa lai. So với kỹ thuật bất dục đực “ba dòng” thường được sử dụng trong sản xuất hạt giống lúa lai, phương pháp mới này nâng cao hiệu quả sản xuất lúa lai bằng cách loại bỏ những hạt lúa đã được tạo ra do quá trình tự thụ phấn của “dòng phục hồi”.

 

Kỹ thuật mới này cho phép thu hoạch hạt lai hoàn toàn tự động bằng máy móc, có thể giảm đáng kể chi phí thu hoạch. Kết quả nghiên cứu gần đây đã được công bố trên tạp chí Cell Research.

 

Kỹ thuật bất dục đực phát sinh chi phí thu hoạch cao

 

Thực vật tự thụ sẽ duy trì tính đồng hợp tử về bộ gen của chúng và kết quả là sẽ duy trì các đặc điểm giống nhau qua các thế hệ.

 

Ưu thế lai, đề cập đến sự gia tăng tốc độ tăng trưởng nhờ vào dị hợp tử về bộ gen thông qua lai xa của cây bố mẹ, đặc điểm này rất khó khai thác với cây tự thụ. Trong tự nhiên, lúa thường được nhân giống bằng phương pháp tự thụ phấn.

 

Tuy nhiên, trong vài thập kỷ qua, các nhà khoa học – tiên phong là giáo sư Yuan Longping, cha đẻ của giống lúa lai – đã phát triển các kỹ thuật nhân giống lúa lai bằng cách khai thác các gen đực bất thụ và những kỹ thuật này có thể tạo ra các hạt lai với khả năng tự sinh sản bình thường, thụ phấn cho cây lúa với số lượng lớn. Trung Quốc và các nước khác trên thế giới đã sử dụng rộng rãi kỹ thuật bất dục đực để sản xuất hạt giống lúa lai và nó giúp gia tăng năng suất lúa một cách đáng kể.

 

Kỹ thuật bất dục đực đầu tiên được sử dụng để tạo ra giống cây trồng là trên lúa, cây thuộc "dòng bất thụ đực" của lúa được dùng để nhận phấn hoa. Các giống lúa từ "dòng phục hồi" có khả năng sinh sản bình thường đóng vai trò là cây cho phấn hoa. Hai dòng này được trồng gần nhau để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển phấn hoa trong quá trình tạo giống. Tuy nhiên, thông qua đó hạt tự thụ phấn của dòng phục hồi cũng được hình thành và chúng phải được loại bỏ thủ công để tránh trộn lẫn với hạt lai trước khi thu hoạch bằng máy, dẫn đến chi phí thu hoạch cao.

 

Về lý thuyết, sử dụng lúa bất dục cái làm "dòng phục hồi" là lý tưởng nhất vì nó không thể tạo ra bất kỳ hạt giống tự thụ phấn nào. Tuy nhiên, cách tiếp cận này đã không được áp dụng vì tế bào mầm của lúa cái bất dục vẫn cực kỳ hiếm trong tự nhiên và cây cái bất dục rất khó tự sinh sản.

 

 

Đột biến TFS1 biểu hiện bất dục cái

 

Sau gần một thập kỷ nghiên cứu liên tục, một nhóm nghiên cứu do giáo sư Zhang Jianhua, chủ nhiệm Khoa Sinh học tại HKBU, dẫn đầu, đã xác định được đột biến gen "bất dục cái đầu tiên nhạy cảm với nhiệt tự phát" (TFS1) ở một giống lúa ưu tú trong quá trình canh tác lúa. Đột biến gen này thể hiện tính bất dục cái của cây trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc thường xuyên (tức là trên 25°C) và khả năng sinh sản được phục hồi một phần trong điều kiện nhiệt độ thấp (tức là 23°C). Nó không có bất kỳ khiếm khuyết nào về sự tăng trưởng sinh dưỡng của chính nó.

 

Nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy rằng cây lúa có đột biến gen TFS1 có thể tạo ra phấn hoa khỏe mạnh với khả năng sinh sản đực bình thường. Cây lúa có khả năng sinh sản bình thường có thể tạo hạt bình thường sau khi nhận hạt phấn từ cây lúa mang đột biến gen TFS1. Các cuộc điều tra sâu hơn cho thấy rằng trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc thường xuyên, sau khi phấn hoa rơi vào đầu nhụy của cây lúa có đột biến gen TFS1, các ống phấn hoa phát triển từ phấn hoa không thể đi vào túi phôi. Do đó, phôi không thể phát triển và hạt không thể được sản xuất. Nhưng trong điều kiện nhiệt độ thấp, khả năng thụ phấn và phát triển của phôi được phục hồi một phần.

 

Sau khi phân tích di truyền bằng cách sử dụng kỹ thuật phân tử và nhân bản gen, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng đột biến gây vô sinh cái được tạo ra bởi một đột biến điểm trong vùng gen của Argonaute7 (AGO7), một thành viên của phức hợp protein Argonaute (AGO) chịu trách nhiệm sản xuất nhiều RNA can thiệp nhỏ, cụ thể là tasiR-ARF. Cơ chế điều hòa xuôi dòng của các tasiR-ARF này điều chỉnh lối vào của ống phấn hoa vào túi phôi, nhưng nó không thành công trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc thường xuyên ở cây lúa có đột biến TFS1, và do đó không thể thực hiện được quá trình thụ phấn kép.

 

Không cần loại bỏ 'dòng phục hồi' trước khi thu hoạch

 

Để đánh giá tiềm năng của việc sử dụng TFS1 như một công cụ di truyền để sản xuất lúa lai, nhóm đã tiến hành thử nghiệm thực địa ở Hồng Kông và tỉnh Hồ Nam ở Trung Quốc. Đột biến gen TFS1 đã được đưa vào ba giống lúa bằng cách xâm nhập và chỉnh sửa bộ gen để tạo ra các tế bào mầm có tính bất dục cái nhạy cảm với nhiệt. Chúng đóng vai trò là "dòng phục hồi" để tạo ra phấn hoa. Ba giống lúa bất dục đực khác được sử dụng làm “dòng bất dục đực”.

 

Nhóm nghiên cứu đã trồng riêng các "dòng phục hồi" bên cạnh "dòng bất dục đực" như trong nhân giống lai truyền thống hoặc trộn chúng ngẫu nhiên trong khu ruộng khi trồng. Trong cả hai cách trồng, hơn 30% số bông của "dòng bất dục đực" ở Hồng Kông và 40% ở tỉnh Hồ Nam tạo ra hạt lai. Tỷ lệ tạo hạt giống tương tự như năng suất sản xuất lai bằng cách sử dụng "dòng phục hồi" hiện tại, nhưng hạt giống lúa lai có thể được thu hoạch mà không cần loại bỏ "dòng phục hồi".

 

Tiềm năng thương mại lớn với chi phí thu hoạch giảm

 

Giáo sư Zhang cho biết: “Ngày nay, sản xuất hạt giống lúa lai vẫn là một quy trình sử dụng nhiều lao động trong nông nghiệp. Tính bất dục cái, nếu nó có thể được đưa vào làm 'dòng phục hồi' với tư cách là cây cho phấn thuần túy, có khả năng giảm chi phí rất lớn, bởi vì các dòng bố mẹ của lúa lai có thể được trồng và thu hoạch cùng nhau bằng máy mà không cần lo lắng về độ thuần của hạt giống.

 

“Các kết quả nghiên cứu của chúng tôi cung cấp một yếu tố đáp ứng cho việc nhân giống lúa lai được cơ giới hóa hoàn toàn và công cụ di truyền của chúng tôi đã cho thấy nhiều hứa hẹn cho các ứng dụng thương mại. Để tối đa hóa năng suất lúa, chúng tôi cần tiếp tục thử nghiệm trên diện rộng để cải thiện khả năng tiếp nhận giữa dòng lúa bất dục cái và dòng bất dục đực”.