Nghiên cứu chức năng của một số gen liên quan đến sự phát triển bộ rễ có ảnh hưởng đến khả năng chịu hạn mặn ở lúa Việt Nam

Lúa là cây trồng quan trọng, trên thế giới có khoảng 3,5 tỉ người tiêu thụ lúa gạo (Lê Phương, 2020). Ở Việt Nam, cây lúa chiếm 85% diện tích đất canh tác (Sarah, 2016). Tuy nhiên, với đường bờ biển 3.620 km trải dài từ Bắc vào Nam, Việt Nam nằm trong nhóm các nước có nguy cơ cao bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu, nhất là sự xâm thực của biển (Nguyễn Thị Lan, 2019). Lượng mưa giảm vào mùa khô kết hợp việc sử dụng và khai thác quá mức tài nguyên nước làm cho tình trạng khô hạn, thiếu nước kéo dài ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn (Tổng cục Phòng chống thiên tai, 2020).

Theo FAO, do tác động của hạn hán và xâm nhập mặn, sản lượng lúa gạo ở cả hai vụ xuân và vụ mùa tại các vùng trồng lúa trên cả nước được dự báo có thể giảm 12,5% vào năm 2050 và 16,5% vào năm 2070 (FAO, 2011). Thực tế cho thấy, từ năm 2011 đến nay, tại Tây Nguyên và vùng duyên hải Nam Trung bộ mỗi năm có hàng chục nghìn hécta lúa gặp hạn vào mùa khô (Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia, 2019). Năm 2020, hạn hán ở mức độ nghiêm trọng nhất từng được ghi nhận xảy ra tại các tỉnh Nam Trung bộ gồm: Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận khiến trên 46.000 ha đất nông nghiệp phải dừng canh tác. Tại khu vực Bắc Trung bộ, vụ hè thu 2020 ghi nhận 25.970 ha diện tích bị hạn hán, thiếu nước (Đồng Thái, 2021). Nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu, nhiều tỉnh đã đưa ra đề án chuyển đổi cơ cấu cây trồng, chuyển dịch diện tích đất trồng lúa sang cây trồng cạn có khả năng chịu khô hạn.

Trong 5 năm gần đây, đồng bằng sông Cửu Long đã phải hứng chịu 2 đợt hạn hán, xâm nhập mặn lịch sử vào mùa khô năm 2015-2016 và 2019-2020, làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp, gây thiệt hại hàng trăm nghìn hécta lúa và cây ăn quả (Tổng cục Phòng chống thiên tai, 2020).

Như vậy, hạn hán và đất nhiễm mặn là những yếu tố chính gây khó khăn cho chiến lược phát triển sản lượng lúa gạo của nước ta và ảnh hưởng xa hơn là mục tiêu đảm bảo an ninh lương thực. Do đó, việc nghiên cứu chọn tạo các giống lúa có khả năng chịu hạn, chịu mặn tốt để bổ sung vào sản xuất là một trong những giải pháp cần thiết.

Trong các cơ quan sinh dưỡng của cây lúa thì bộ rễ lúa có vai trò rất quan trọng trong việc cung cấp nước, muối khoáng và các chất dinh dưỡng để nuôi cây, giúp cây chống chịu với yếu tố bất lợi của thời tiết như hạn, mặn… và làm tăng hiệu quả vào hạt của cây (Coudert và cs, 2015). Chọn tạo giống có bộ rễ phát triển tốt được coi là một cách về căn bản để cải tiến các giống cây trồng ứng phó với những hậu quả của tình trạng biến đổi khí hậu toàn cầu. Do một thực tế là bộ rễ phát triển dưới lòng đất, khó quan sát và tiến hành nghiên cứu cho nên trong công tác chọn tạo giống ít được các nhà khoa học chú ý. Cho đến nay mới chỉ có một vài gen hay QTL quy định sự phát triển rễ được nghiên cứu ở các cây ngũ cốc. Việc xác định được các gen hay QTL liên quan đến sự phát triển bộ rễ và khả năng vận chuyển nước sẽ hỗ trợ cho công tác chọn tạo giống có bộ rễ cải thiện bằng phương pháp chọn giống nhờ chỉ thị phân tử.

Xuất phát từ thực tiễn trên, Chủ nhiệm đề tài TS. Hoàng Thị Giang cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Di truyền Nông nghiệp thực hiện “Nghiên cứu chức năng của một số gen liên quan đến sự phát triển bộ rễ có ảnh hưởng đến khả năng chịu hạn mặn ở lúa Việt Nam” với mục tiêu xác định được các gen liên quan đến cấu trúc và chức năng bộ rễ lúa và các QTL liên quan đến khả năng chịu hạn, mặn của bộ giống lúa Việt Nam.

Với phương pháp nghiên cứu chức năng hệ gen có mục tiêu, đã xác định được vai trò của 03 gen mã hóa yếu tố phiên mã TF (OsDof5, OsRoc4 và OsbHLH044) và 02 gen mã hóa yếu tố phiên mã cảm ứng auxin ARF (OsARF5 và OsARF21) có chức năng tham gia vào sự phát triển bộ rễ lúa, làm tăng rõ rệt số lượng rễ và giúp tăng cường sinh trưởng của cây (tăng khối lượng khô thân, rễ).

Đã đánh giá được các tính trạng chính liên quan đến khả năng chịu hạn, chịu mặn, năng suất và năng suất trong điều kiện hạn của bộ giống lúa Việt Nam và phân loại các nhóm giống theo mức chịu hạn, mặn và duy trì năng suất:

- Đánh giá được 15 tính trạng chính liên quan đến khả năng chịu hạn ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng của 183 giống lúa Việt Nam: hàm lượng nước tương đối trong lá trước khi ngừng tưới và sau 1 đến 4 tuần gây hạn, độ mất nước sau mỗi tuần gây hạn, cấp chống chịu hạn, khả năng phục hồi và tốc độ tăng trưởng tương đối sau 4 tuần gây hạn. Đã phân loại được bộ giống theo mức chống chịu hạn. Tuyển chọn được 45 giống có tiềm năng chịu hạn với khả năng duy trì trạng thái nước và phục hồi tốt.

- Đánh giá được 9 tính trạng chính liên quan đến khả năng chịu mặn nhân tạo ở độ mặn 5,8‰ ở giai đoạn mạ của 182 giống lúa Việt Nam, gồm hàm lượng nước trong lá, cấp chống chịu sau khi gây mặn, hàm lượng diệp lục tổng số trong lá, hàm lượng diệp lục a trong lá, hàm lượng diệp lục b trong lá, tỷ lệ diệp lục a/b trong lá, hàm lượng K+ trong lá, hàm lượng Na+ trong lá, tỷ lệ Na+ /K+ trong lá. Đã phân loại được bộ giống theo mức chống chịu mặn. Tuyển chọn được 25 giống có tiềm năng chịu tiềm năng chịu mặn với khả năng duy trì trạng thái nước và cân bằng ion tốt.

- Đánh giá được các tính trạng chính liên quan đến năng suất trong điều kiện có tưới và điều kiện hạn của 162 giống lúa Việt Nam, gồm: thời điểm trỗ bông, chiều cao cây, chiều dài bông, tổng số nhánh, tổng số nhánh hữu hiệu, năng suất cá thể và trọng lượng 1000 hạt. Đã phân loại được bộ giống theo khả năng duy trì năng suất trong điều kiện hạn. Trong điều kiện hạn có 57 giống tăng năng suất và 35 giống có thể duy trì năng suất.

Bằng phương pháp nghiên cứu di truyền liên kết toàn hệ gen (GWAS), phân tích dữ liệu đánh giá các tính trạng kết hợp với dữ lệu kiểu gen, đã xác định được các QTLs liên kết gồm:

- 17 QTLs liên quan đến các tính trạng chịu hạn ở giai đoạn sinh trưởng sinh dưỡng, trong đó có 9 QTLs liên kết với nhiều hơn một tính trạng. Trong vùng 4 QTLs triển vọng (q1, q4, q12 và q14) tìm thấy 8 gen ứng viên tiềm năng có chức năng liên quan đến khả năng chịu hạn (OsALDH2-1, OsALDH2-2, OsWRKY45, OsMSOD1, OsRCN1, OsbZIP79, OsbZIP80 và Os11g12530).

- 26 QTLs liên quan đến các tính trạng chịu mặn, trong đó có 10 QTLs liên kết với nhiều hơn một tính trạng. Trong vùng 19 QTLs tìm thấy, xác định được nhiều gen ứng viên có chức năng liên quan đến khả năng chịu mặn hoặc các stress phi sinh học khác. Trong đó, QTLs_25 được đánh giá là QTLs triển vọng nhất với 4 gen ứng viên tiềm năng là OsBDG1, OsLRR2, Os11g31550 và Os11g31560.

- 57 QTLs cho các tính trạng liên quan đến năng suất và năng suất trong điều kiện hạn, trong đó phần lớn các QTL liên kết với nhiều tính trạng.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21044/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.