Phát hiện gen giúp ngô thích nghi với môi trường cao nguyên

Ảnh chụp màn hình phim tài liệu Sunú, bộ phim đã mang đến cho người xem góc nhìn về cuộc sống của những người sản xuất ngô bản địa ở Tây Bắc Mexico.

Gen này có nguồn gốc từ “teosinte mexicana”, một loại cây mọc hoang ở vùng cao nguyên Mexico, tiền thân của ngô hiện đại. Những phát hiện này cung cấp thêm nhiều thông tin chuyên sâu về sự tiến hóa và chọn lọc gen của thực vật, từ đó rút ra những yếu tố tác động đến với sự thích nghi của ngô và các cây trồng khác với nhiệt độ thấp.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu về sự biến đổi của phospholipid và vai trò của chúng trong việc thích ứng với thời tiết lạnh giá, cũng như đối với sức khoẻ và năng suất cây trồng như thời gian ra hoa.”

Các nhà khoa học đã trình bày kết quả nghiên cứu trên Proceedings of the National Academy of Sciences.

Thích ứng với điều kiện khắc nghiệt

Ngô được trồng ở những vùng cao nguyên khó phát triển hơn so với ngô trồng ở những vùng thấp với mức nhiệt cao. “Ở vùng núi, trong điều kiện lạnh giá, ngô cần nhiều thời gian hơn để tích luỹ nhiệt và tăng trưởng”, Rubén Rellán-Álvarez, trợ lý giáo sư về cấu trúc và sinh hóa phân tử tại ĐH Bang Bắc Carolina và là tác giả liên hệ của bài báo, phân tích. “Ở độ cao 2.600 mét, người nông dân mất thời gian lâu gấp ba lần để trồng ngô – so với trồng ở khu vực thấp hơn”.

Để ứng phó với điều này, đến mùa vụ, người nông dân phải trồng ngô từ sớm và trồng thật sâu trong đất; ngô sẽ tăng trưởng chậm nhưng ổn định trong vài tháng, cho đến khi mùa mưa đến. Qua hàng thiên niên kỷ, người nông dân đã chọn ra những giống ngô có thể phát triển mạnh ở nhiệt độ thấp và ra hoa sớm trước khi mùa đông đến. “

Ở các giống ngô được trồng ở vùng thấp, gen HPC1 phân hủy phospholipid – loại lipid chuyên liên kết với các protein quan trọng giúp đẩy nhanh thời gian ra hoa.

Ở ngô cao nguyên, gen HPC1 không hoạt động, nhưng điều này lại có lợi cho người nông dân.

“Ở ngô vùng cao, người nông dân đã chọn lọc một phiên bản gen khiếm khuyết, giúp hàm lượng phospholipid tăng cao,” Rellán-Álvarez nói.

Trong bài báo, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã tiến hành thí nghiệm trên khắp Mexico – ở cả các vùng đất thấp và cao nguyên. Họ phát hiện ra rằng ngô mang phiên bản gen cao nguyên ra hoa sớm hơn một ngày so với những cây không có phiên bản gen đó. Ngoài ra, ngô trồng ở vùng đất thấp có phiên bản gen cao nguyên ra hoa muộn hơn một ngày so với cây không có phiên bản gen này.

Nó giúp cây phát triển tốt hơn trong môi trường địa phương. “Nếu cây không ra hoa, sẽ không có hạt giống, vì vậy rõ ràng một yếu tố bất kỳ tác động đến đến thời gian ra hoa cũng sẽ tác động đến sự thích nghi của cây trong môi trường địa phương.”

Chọn lọc loại ngô tối ưu

Nghiên cứu cũng xem xét quá trình tiến hóa của ngô qua bàn tay chọn lọc của người nông dân trên khắp Tây bán cầu suốt hàng ngàn năm qua. Từ rất lâu về trước, người Mỹ bản địa đã thuần hóa một loại cây dại có tên là teosinte parviglumis ở Tây Nam Mexico, trở thành giống ngô chất lượng có thể thích nghi khắp Châu Mỹ — từ sa mạc Arizona và Perú đến những khu rừng ẩm ướt của Yucatán và Colombia, bao gồm cả vùng cao nguyên Mexico, nơi ngô được lai với một cây teosinte dại khác – teosinte mexicana.

“Kết quả của chúng tôi cho việc lai ngô với teosinte mexicana đã giúp ngô thích nghi với điều kiện vùng cao”, Rellán-Álvarez cho biết.

Trong nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng các gen từ teosinte mexicana – cụ thể là HPC1 phiên bản cao nguyên – đã được giữ lại trong ngô ngày nay.

“Sự lưu giữ này — cái mà các nhà khoa học thường gọi là sự xâm nhập — cũng tương tự như cách con người hiện đại giữ lại gen của người Neanderthal trong mã di truyền của mình”, Rodríguez-Zapata cho biết.

Nghiên cứu cũng tìm thấy biến thể cao nguyên của HPC1 trong ngô được trồng ở Canada, Bắc Hoa Kỳ và Bắc Âu – điều này khá hợp lý khi những vùng đất này rất lạnh.

Các nhà nghiên cứu hiện đang xem xét vai trò của gen này và các gen khác liên quan đến quá trình chuyển hóa phosphorus để tìm hiểu các cách trồng ngô bền vững hơn.

Hà Trang dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2022-06-gene-maize-high-elevations-cold.html