Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Chicago, Đại học Bắc Kinh và Đại học Quý Châu thông báo rằng thao tác ARN có thể cho phép cây trồng có thể tạo ra sản lượng vụ mùa hơn đáng kể, cũng như tăng khả năng chịu hạn cho cây.

Nguồn: CC0 Public Domain

Trong các thử nghiệm ban đầu, việc bổ sung gen mã hóa một loại protein có tên là FTO vào cả cây lúa và cây khoai tây đã làm tăng năng suất của những giống cây trồng này lên 50% trong các thử nghiệm thực địa. Các giống cây này phát triển lớn hơn đáng kể, tạo ra hệ thống rễ dài hơn và có khả năng chịu hạn tốt hơn. Phân tích cũng cho thấy rằng những cây này đã gia tăng tốc độ quang hợp của chúng.

“Sự thay đổi này ở thực vật thực sự rất ấn tượng. Hơn nữa, đột phá này “hoạt động hiệu quả” với hầu hết mọi loại cây trồng mà chúng tôi đã thử cho đến nay và thao tác thực hiện lại rất đơn giản”, Giáo sư Chuan He, Trường Đại học Chicago, dẫn đầu công trình nghiên cứu, cho biết.

Các nhà nghiên cứu hy vọng về tiềm năng của đột phá này, đặc biệt là khi đối mặt với biến đổi khí hậu và các áp lực khác đối với hệ thống cây trồng trên toàn thế giới.

He, giáo sư Hóa học, Hóa sinh và Sinh học Phân tử của John T. Wilson, cho biết: “Điều này thực sự cung cấp khả năng cho các nhà máy kỹ thuật để tăng cường cải thiện hệ sinh thái khi hiện tượng ấm lên toàn cầu đang diễn ra. Chúng ta dựa vào thực vật, cây trồng để làm ra mọi thứ đáp ứng nhu cầu cho chúng ta –gỗ, thực phẩm, thuốc, hoa và dầu thực vật -  do đó điều này sẽ cung cấp một cách để tăng nguồn nguyên liệu dự trữ mà chúng ta có thể nhận được từ hầu hết các loại thực vật” .

Trong nhiều thập kỷ, các nhà khoa học đã làm việc để thúc đẩy sản xuất cây trồng trong bối cảnh khí hậu ngày càng bất ổn và dân số toàn cầu ngày càng tăng lên. Nhưng các quy trình như vậy thường phức tạp và thường chỉ dẫn đến những thay đổi tiệm tiến (Incremental Changes). Tuy nhiên, cách khám phá này hoàn toàn khác.

Nhiều người trong chúng ta đều nhớ đã học sinh học về ARN từ hồi trung học, chúng ta được dạy rằng phân tử ARN “đọc” ADN, sau đó tạo ra protein để thực hiện các nhiệm vụ. Nhưng vào năm 2011, phòng thí nghiệm của He đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới nhờ khám phá ra chìa khóa để gen được biểu hiện theo một cách khác ở động vật có vú. Nó chỉ ra rằng ARN không chỉ đơn giản đọc sơ đồ thiết kế ADN và thực hiện nó một cách mù quáng; bản thân tế bào cũng có thể điều chỉnh phần nào đó của bản thiết kế được biểu hiện này. Nó làm như vậy bằng cách gắn các dấu vết hóa học lên ARN để điều chỉnh loại protein được tạo ra và số lượng là bao nhiêu.

Ông và các đồng nghiệp của mình ngay lập tức nhận ra rằng điều này có ý nghĩa lớn đối với ngành sinh học. Kể từ đó, nhóm của ông và những nhà nghiên cứu khác trên khắp thế giới đã cố gắng nâng cao hiểu biết của chúng ta về quá trình này và những gì nó ảnh hưởng đến động vật, thực vật và các bệnh khác nhau ở người; Ví dụ, He là đồng sáng lập của một công ty công nghệ sinh học hiện đang phát triển các loại thuốc chống ung thư mới dựa vào việc nhắm mục tiêu các protein biến đổi ARN.

Ông và Guifang Jia, một nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ ở UChi Chicago, hiện là phó giáo sư tại Đại học Bắc Kinh, tự hỏi làm thế nào nó ảnh hưởng đến sinh học thực vật.

Họ tập trung vào một loại protein gọi là FTO, loại protein đầu tiên được biết đến có tác dụng xóa các dấu vết hóa học trên ARN, dấu vết này được Jia tìm thấy khi còn là một nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ trong nhóm của He tại UChi Chicago. Các nhà khoa học biết rằng nó hoạt động trên ARN để  tác động đến sự phát triển của tế bào ở người và các động vật khác, vì vậy họ đã thử chèn gen của nó vào cây lúa - và sau đó thật kinh ngạc theo dõi khi cây lúa lớn lên.

“Ngay lúc đó, tôi nghĩ là tất cả chúng tôi nhận ra rằng chúng tôi đang làm một điều gì đó đặc biệt,” anh ấy nói.

Các cây lúa phát triển nhanh gấp ba lần cây lúa thường trong điều kiện phòng thí nghiệm. Khi họ trồng thử trong các cuộc thử nghiệm thực tế trên đồng ruộng, cây trồng này đã tăng trưởng khối lượng hơn 50% và năng suất lúa cao hơn 50% so với lúa thông thường. Chúng mọc rễ dài hơn, quang hợp hiệu quả hơn và có thể chịu được căng thẳng do hạn hán tốt hơn.

Các nhà khoa học đã lặp lại các thí nghiệm với cây khoai tây, thuộc một họ cây trồng hoàn toàn khác và kết quả thu được là như nhau.

Các nhà khoa học phải mất nhiều thời gian hơn để bắt đầu hiểu điều này đang xảy ra như thế nào. Các thí nghiệm sâu hơn cho thấy FTO bắt đầu hoạt động sớm trong quá trình phát triển của nhà máy, thúc đẩy tổng lượng sinh khối mà nó tạo ra.

Các nhà khoa học nghĩ rằng FTO kiểm soát một quá trình được gọi là m6A, là một biến đổi quan trọng của ARN. Trong trường hợp này, FTO hoạt động bằng cách xóa RNA m6A để ngăn chặn một số tín hiệu báo cho cây trồng phát triển chậm lại và giảm tốc độ tăng trưởng. Nhìn chung, các cây trồng biến đổi tạo ra nhiều ARN hơn đáng kể so với các cây đối chứng.

Quy trình này, được mô tả trong bài báo, liên quan đến việc sử dụng gen FTO động vật trong thực vật. Nhưng một khi các nhà khoa học hiểu đầy đủ về cơ chế tăng trưởng này, He cho rằng có thể có nhiều cách khác nhau để có được hiệu quả tương tự.

Ông nói: “Có vẻ như thực vật đã có lớp quy định này, và tất cả những gì chúng tôi cần làm là khai thác nó. Vì vậy, bước tiếp theo sẽ là khám phá cách thực hiện nó khi sử dụng gene di truyền hiện có của thực vật”.

He có thể hình dung ra tất cả các loại ứng dụng và ông ấy đang làm việc với trường đại học và Trung tâm Khởi nghiệp và Đổi mới Polsky để khám phá các khả năng có thể thực hiện.

“Ngoài lương thực, còn có những hậu quả nghiêm trọng khác do biến đổi khí hậu gây ra. Có lẽ chúng ta có thể thiết kế các loại cỏ có thể chịu được hạn hán ở những khu vực bị đe dọa. Có lẽ chúng ta cũng có thể “dạy” cho một cái cây ở Trung Tây cách mọc rễ dài ra hơn để nó ít bị đổ khi có bão mạnh và có rất nhiều ứng dụng tiềm năng khác nữa”, He nói

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2021-07-rna-breakthrough-crops-potatoes-rice.html, 22/7/2021