Hoạt động của HPY1 phối hợp tăng hiệu quả quang hợp với tăng kích thước hạt làm tăng năng suất lúa

 Hoạt động của HPY1 phối hợp tăng hiệu quả quang hợp với tăng kích thước hạt làm tăng năng suất lúa

Dương Thị Lan Oanh theo Phys.org

Lúa là cây trồng chủ yếu của hơn một nửa diện tích toàn cầu. Việc liên tục nâng cao năng suất lúa gạo có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực thế giới, do đó để đạt được mức tăng bền vững trong sản xuất lúa gạo là mục tiêu lớn trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học trong sản xuất lúa gạo.

 

Về mặt sinh lý, năng suất lúa được xác định bởi khả năng quang hợp (năng suất sinh học) và kích thước/số hạt (năng suất kinh tế). Tuy nhiên, nghiên cứu hiện nay chủ yếu tập trung vào năng suất sinh học hoặc năng suất kinh tế, những nghiên cứu này vẫn còn hạn chế.

 

Giáo sư Shaoqing Li (Phòng thí nghiệm trọng điểm về lúa lai, Đại học Vũ Hán) đứng đầu nhóm nghiên cứu đã thu được một đột biến có hạt lớn, lớn hơn so với thông thường thông qua phương pháp gây đột biến phóng xạ. Sau đó, bằng cách sử dụng phương pháp nhân bản vị trí, họ đã nhân bản một gen đồng thời điều chỉnh hiệu xuất quang hợp, kích thước hạt, sinh khối và năng suất, đặt tên là HPY1 (hệ số quang hợp cao và năng suất 1). HPY1 là yếu tố phiên mã có nguồn gốc từ một transposon (nhân tố chuyển vị), được bảo tồn cao mà không có đột biến từ nguồn gen cây lúa.

 

Một biến thể đơn SNP tại vùng mã hóa của gen điều khiển sự thay đổi axit amin ở đầu C của miền HTH (helix-turn-helix) gây ra sự thay đổi cấu trúc protein do đó làm tăng khả năng liên kết DNA điều này làm gia tăng biểu hiện gen theo trình tự xuôi (từ đầu 3’) dẫn đến kiểu hình có hiệu xuất quang hợp cao, hạt lớn, sinh khối và năng suất cao.

 

Phân tích sâu hơn cho thấy HPY1làm tăng năng suất lúa bằng cách kết hợp tăng khả năng quang hợp và năng suất kinh tế. Đột biến HPY1 làm tăng mức độ phiên mã của chính nó thông qua cơ chế điều hòa phản hồi. Sau đó HPY1 liên kết trực tiếp với các gen liên quan đến quang hợp (RbcS2, RbcS3 và RbcS4, mã hóa các tiểu đơn vị nhỏ Rubisco) để tăng cường quá trình phiên mã của chúng, do đó làm tăng hàm lượng và hoạt động của Rubisco (một enzyme liên quan đến hoạt động không phụ thuộc vào ánh sáng), từ đó tăng tốc độ quang hợp và sinh khối.

 

Đồng thời, nó liên kết trực tiếp với các gen liên quan đến năng suất kinh tế (CCP1 và FLO2, các gen điều khiển kích thước của hạt) và điều chỉnh quá trình phiên mã của chúng dẫn đến kích thước hạt lớn hơn. Cuối cùng, dựa vào việc tăng cường đồng thời năng suất sinh học và năng suất kinh tế dẫn đến năng suất lúa sẽ tăng.

 

Tóm lại, nghiên cứu này đã xác định được một gen làm tăng năng suất, HPY1, gen điều khiển quang hợp và kích thước hạt để tăng năng suất lúa. Khám phá này không chỉ góp phần mang lại sự hiểu biết sâu hơn về phân tử và sự phối hợp giữa năng suất sinh học và năng suất kinh tế đối với cây lúa mà còn đưa ra một chiến lược hiệu quả để cải thiện tăng năng suất của cây lúa.

 

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Science Bulletin.

Đột biến HPY1 nâng cao mức độ phiên mã của chính nó thông qua cơ chế điều hòa phản hồi. Sau đó, HPY1 nhắm mục tiêu RbcS2, RbcS3 và RbcS4 để tăng biểu hiện và hoạt động Rubisco của chúng, giúp cải thiện hiệu quả quang hợp và tích lũy sinh khối trong cây lúa. Trong khi đó, HPY1 nhắm đến CCP1 và FLO2, các gen quan trọng cho sự phát triển của glume, để tăng cường biểu hiện của chúng nhằm tăng kích thước hạt. Cuối cùng, tốc độ quang hợp được cải thiện, tích lũy sinh khối và biểu hiện cao của CCP1 và FLO2 phối hợp với nhau dẫn đến năng suất lúa cao. Nguồn: Nhà xuất bản Khoa học Trung Quốc.