Cây trồng chịu hạn
Cây trồng chịu hạn là các giống cây có khả năng chống chịu với nắng nóng và hạn hán tốt.
Đặc điểm chung của các giống cây chịu hạn là:
Cấu tạo các cây này thường có tán xanh, ít thoát hơi nước, có khả năng trữ nước trong thân, lá và rễ hiệu quả.
Đa số lá nhỏ, hoặc biến thành gai.
Rễ cây to, cắm sâu có khả năng tìm kiếm và giữ nước cao.
Không yêu cầu phải tưới nước thường xuyên, có khả năng thích nghi mới môi trường khô hạn nắng nóng gay gắt.

Hình: Ba cơ chế chính chống chịu mặn ở cây trồng
(Nguồn: Roy S.J. et al., 2014, Salt resistant crop plants)

Nông nghiệp và nguồn nước
Các yếu tố môi trường bất lợi, trong đó tình trạng thiếu nước làm ảnh hưởng nghiêm trọng nhất đối với nông nghiệp. Nông nghiệp là ngành tiêu thụ nhiều nước nhất. Theo FAO, ước tính đến năm 2025, khoảng 480 triệu người ở Châu Phi sống ở những khu vực rất khan hiếm nước, 600.000 km² sẽ trở nên thiếu nước nghiêm trọng.
Điều này sẽ đòi hỏi một cách tiếp cận tổng hợp đối với quản lý tài nguyên nước để khuyến khích sử dụng hiệu quả và công bằng nguồn tài nguyên này, đồng thời đảm bảo tính bền vững. Việc phát triển các giống cây trồng có khả năng chịu hạn tốt hơn, bằng cả phương pháp lai tạo thông thường và kỹ thuật di truyền, cũng là một chiến lược quan trọng để đáp ứng nhu cầu lương thực toàn cầu với ít nước hơn.
Phát triển cây trồng chịu hạn
Lai tạo thông thường đòi hỏi phải xác định sự biến đổi di truyền đối với hạn hán giữa các giống cây trồng, hoặc giữa các loài có khả năng tương thích về mặt giới tính và đưa khả năng chịu hạn này vào các dòng có đặc điểm nông học phù hợp. Mặc dù lai tạo thông thường để chịu hạn đã và đang đạt được một số thành công, nhưng đây là một quá trình chậm bị hạn chế bởi sự sẵn có của các gen phù hợp để lai tạo.
Như các chương trình chọn lọc và lai tạo các giống lúa chịu hạn cho vùng duyên hải miền Trung của Viện Cây lương thực và Cây thực phẩm; sự phát triển của các giống lai ngô có khả năng chịu hạn cao hơn của Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam; hay chương trình Lai tạo giống lúa thơm chịu mặn ở Đồng bằng sông Cửu Long…
Mặt khác, việc phát triển các loại cây trồng chịu hạn bằng kỹ thuật di truyền đòi hỏi phải xác định các yếu tố di truyền chính quyết định khả năng chịu hạn ở thực vật và đưa các gen này vào cây trồng. Hạn hán gây ra nhiều phản ứng sinh lý ở thực vật và ảnh hưởng đến hoạt động của một số lượng lớn gen: các thí nghiệm biểu hiện gen đã xác định được hàng trăm gen được kích hoạt hoặc ức chế trong thời gian hạn hán.
Cơ chế chịu hạn của thực vật
Cây phản ứng với môi trường thay đổi của chúng theo cách phức tạp, tích hợp cho phép chúng phản ứng với tập hợp các điều kiện và ràng buộc cụ thể có tại một thời điểm nhất định. Do đó, sự kiểm soát di truyền về khả năng chịu đựng các stress phi sinh học không chỉ rất phức tạp mà còn chịu ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố môi trường khác và giai đoạn phát triển của cây.
Phản ứng sinh lý của thực vật đối với tình trạng thiếu nước bao gồm lá héo, diện tích lá giảm, lá rụng và kích thích sự phát triển của rễ bằng cách hướng chất dinh dưỡng đến các bộ phận dưới lòng đất của cây. Thực vật dễ bị hạn hán hơn trong quá trình ra hoa và phát triển hạt (giai đoạn sinh sản), vì các nguồn tài nguyên của thực vật bị lệch hướng để hỗ trợ sự phát triển của rễ. Ngoài ra, axit abscisic (ABA), một loại hormone gây căng thẳng cho thực vật, gây ra sự đóng khí khổng của lá (lỗ chân lông cực nhỏ liên quan đến trao đổi khí), do đó làm giảm sự mất nước thông qua thoát hơi nước và giảm tốc độ quang hợp. Những phản ứng này cải thiện hiệu quả sử dụng nước của cây trong thời gian ngắn.
Tế bào thực vật cần duy trì sự cân bằng nước. Để duy trì sự cân bằng nước này, thực vật hấp thụ nước khi thế nước âm. Các tế bào có thể làm giảm thế nước của chúng thông qua sự tích tụ các chất tan, chẳng hạn như đường, axit amin, axit hữu cơ và các ion – đặc biệt là kali (K⁺). Vì các enzyme của tế bào bị ức chế nghiêm trọng bởi sự hiện diện của các ion, nên chúng phải được loại bỏ khỏi cytosol (chất lỏng nền của tế bào) và được lưu trữ trong các bào quan tế bào lưu trữ đặc biệt, các không bào. Các chất tan tương thích tích tụ trong cytosol và không can thiệp vào các phản ứng của enzyme bao gồm rượu đường (mannitol và sorbitol), axit amin proline và glycine betaine. Việc tổng hợp các hợp chất này của thực vật giúp tăng cường khả năng chịu hạn.
Phản ứng của cây đối với hạn hán đi kèm với sự kích hoạt của các gen liên quan đến nhận thức về căng thẳng hạn hán và trong quá trình truyền tín hiệu căng thẳng. Một nhóm là các gen mã hóa các protein bảo vệ tế bào khỏi tác động của sự khô hạn. Các gen này bao gồm các gen chi phối: sự tích tụ các chất tan tương thích; vận chuyển thụ động qua màng; hệ thống vận chuyển nước đòi hỏi năng lượng; và bảo vệ và ổn định các cấu trúc tế bào khỏi sự khô hạn và hư hại do các loài oxy phản ứng.
Nhóm gen thứ hai được kích hoạt bởi hạn hán bao gồm các protein điều hòa tiếp tục điều hòa quá trình chuyển tín hiệu căng thẳng và điều chỉnh biểu hiện gen. Có ít nhất bốn con đường điều hòa di truyền phản ứng với căng thẳng độc lập được biết là tồn tại ở thực vật, tạo thành một mạng lưới gen phức tạp và dư thừa. Hai trong số các con đường phụ thuộc vào hormone ABA và hai con đường không phụ thuộc vào ABA. Các con đường này cũng liên quan đến nhận thức và phản ứng với các yếu tố căng thẳng bổ sung, bao gồm lạnh, nhiệt độ cao và độ mặn.
Công nghệ giải trình tự gene thế hệ mới xác định gene tiềm năng chịu mặn trên lúa
Với mong muốn nâng cao khả năng chịu mặn trên cây lúa Việt Nam, các nhà khoa học tại Viện Nghiên cứu hệ gen (Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) đã thực hiện đề tài nghiên cứu "Xác định và đánh giá các microRNA có tiềm năng nâng cao khả năng chống chịu mặn trên lúa (Oryza sativa L.) bằng phương pháp giải trình tự thế hệ mới". Nghiên cứu được thử nghiệm trên cây lúa chuẩn kháng mặn Đốc Phụng và cây lúa chuẩn nhiễm mặn IR28, sử dụng công nghệ giải trình tự gene thế hệ mới nhằm đưa ra đánh giá toàn diện về mức độ biểu hiện của miRNA trên hai loại lúa dưới tác động của muối.
Các nhà khoa học đã đánh giá khả năng chịu mặn của hai giống lúa ở giai đoạn mạ trong điều kiện nhiễm mặn 150 mM NaCl trong 05 ngày liên tiếp, sau đó tiến hành giải trình tự miRNA từ thân và rễ của hai giống lúa, thu được 08 bộ dữ liệu (bao gồm ĐP-ĐC-T, ĐP-ĐC-R, ĐP-NaCl-T, ĐP-NaCl-R, IR28-ĐC-T, IR28-ĐC-R, IR28-NaCl-T và IR28-NaCl-R) có chất lượng tốt. Sau quá trình sàng lọc và phân tích tin sinh, 04 miRNA tiềm năng đã được xác định tham gia vào quá trình chịu mặn trên cây lúa Đốc Phụng (bao gồm miR164d, miR168a, miR171h và miR398a). Kết quả đánh giá bằng phương pháp RT-qPCR cũng cho biết bộ dữ liệu giải trình tự miRNA thu được là chuẩn xác và có độ tin cậy cao.
MicroRNA, với khả năng kiểm soát mức độ biểu hiện gene trong cây ở giai đoạn sau phiên mã, đang mở ra tiềm năng nghiên cứu cơ chế chống chịu mặn, làm cơ sở cho việc nâng cao khả năng chịu mặn trên cây lúa Việt Nam. Với thành công từ nghiên cứu trên, các nhà khoa học mong muốn tiếp tục nghiên cứu, đánh giá chuyên sâu về mức độ biểu hiện và chức năng các miRNA bằng các phương pháp in vitro để hoàn thiện kết quả và sớm thúc đẩy nghiên cứu và phát triển các giống lúa chịu mặn mới tại Việt Nam.
Biến đổi di truyền của phản ứng stress với axit abscisic (ABA)
Mức ABA trong cây tăng đáng kể để đáp ứng với tình trạng stress về nước, dẫn đến việc đóng khí khổng, do đó làm giảm mức độ mất nước thông qua thoát hơi nước từ lá và kích hoạt các gen phản ứng với căng thẳng. Phản ứng này có thể đảo ngược: khi nước được cung trở lại, mức ABA giảm và khí khổng mở lại. Do đó, việc tăng độ nhạy cảm của cây đối với ABA là mục tiêu rất quan trọng để cải thiện khả năng chịu hạn.
ERA1, một gen được xác định trong Arabidopsis , mã hóa tiểu đơn vị ß của farnesyl-transferase và tham gia vào tín hiệu ABA. Thực vật thiếu hoạt động ERA1 có khả năng chịu hạn tốt hơn, tuy nhiên cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng đến năng suất. Để điều hòa giảm ABA có điều kiện, một nhóm các nhà nghiên cứu Canada đã sử dụng một chất xúc tiến gây hạn để thúc đẩy biểu hiện antisense của ERA1, ở cây Arabidopsis và cây cải dầu. Thực vật chuyển gen phát triển tốt hơn đáng kể trong điều kiện stress về nước, với năng suất cao hơn hẳn so với các giống thông thường. Điều quan trọng là không có sự khác biệt về năng suất giữa cây chuyển gen và cây đối chứng trong điều kiện đủ nước, chứng tỏ rằng công nghệ này không làm giảm năng suất. Các thử nghiệm tại nhiều địa điểm đã xác nhận năng suất tăng do tăng cường bảo vệ trước hạn hán là 15-25% so với cây đối chứng không chuyển gen.
Điều hòa gen độc lập với ABA đối với căng thẳng hạn hán
Các yếu tố phiên mã DREB1 và DREB2, đóng vai trò quan trọng trong các con đường chịu hạn độc lập với ABA, thúc đẩy sự biểu hiện của các gen phản ứng với căng thẳng. Sự biểu hiện quá mức của dạng bản địa của DREB1 và dạng hoạt động liên tục của DREB2, làm tăng khả năng chịu hạn, độ mặn cao và lạnh của cây Arabidopsis chuyển gen. Mặc dù các gen này ban đầu được xác định trong cây Arabidopsis, sự hiện diện và vai trò của chúng trong khả năng chịu hạn đã được báo cáo ở nhiều loại cây trồng quan trọng như: như lúa, cà chua, lúa mạch, cải dầu, ngô, đậu nành, lúa mạch đen, lúa mì, cho thấy đây là cơ chế bảo vệ chống chịu hạn phổ biến được bảo tồn ở thực vật. Sự bảo tồn chức năng này làm cho các gen DREB trở thành mục tiêu quan trọng để cải tiến cây trồng chịu hạn thông qua kỹ thuật di truyền.
Mặc dù đã có những tiến bộ đáng kể trong việc làm sáng tỏ các cơ chế di truyền cơ bản của khả năng chịu hạn, nhưng vẫn còn nhiều thách thức đáng kể. Trong điều kiện đồng ruộng, cây trồng phải chịu nhiều mức độ stress khác nhau. Do đó, điều cần thiết là phải thử nghiệm các giống mới phát triển đối với nhiều loại căng thẳng và tiến hành các nghiên cứu đồng ruộng sâu rộng trong nhiều điều kiện khác nhau để đánh giá khả năng chịu đựng khi năng suất tuyệt đối tăng lên.

Nguyễn Thuỳ