Các nhà nghiên cứu tại Đại học New York đã xác định được một loại protein hoạt động như một tín hiệu dừng phân tử đối với sự hấp thu nitơ ở thực vật, một khám phá cuối cùng có thể mang lại cho các nhà tạo giống mục tiêu di truyền để phát triển các loại cây trồng sử dụng phân bón hiệu quả hơn nhiều. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí The Plant Cell, tập trung vào yếu tố phiên mã có tên HHO5.
HHO5 hoạt động như một phanh nitơ
Nhóm NYU phát hiện ra rằng HHO5 cho cây biết khi nào nó đã hấp thụ đủ nitơ và có thể ngừng lấy thêm từ đất. Khi mức nitơ trong cây đạt đến ngưỡng, biểu hiện HHO5 tăng lên và gây ra một loạt các thay đổi gen ở cuối dòng khiến cơ chế hấp thụ ngừng hoạt động một cách hiệu quả. Protein phản ứng đặc biệt với nitơ hữu cơ, dạng thực vật sử dụng để vận chuyển-đường dài, lưu trữ và tổng hợp các axit amin cần thiết cho dinh dưỡng của con người.
Gloria Coruzzi, Giáo sư Carroll và Milton Petrie tại Khoa Sinh học và Trung tâm Sinh học Hệ thống và Bộ gen của NYU, đồng tác giả cấp cao của nghiên cứu cho biết: “Bằng cách xác định các bộ điều chỉnh gen nhạy cảm với các mức độ và loại nitơ khác nhau, chúng tôi đã phát hiện ra yếu tố điều hòa kiểm soát việc sử dụng nitơ và chìa khóa để cải thiện sự hấp thu và đồng hóa nitơ thành nitơ hữu cơ ở thực vật”.
Tại sao hiệu quả sử dụng nitơ của cây trồng lại quan trọng đối với phân bón
Cây trồng trên toàn cầu chỉ sử dụng khoảng 30–50% lượng phân đạm bón cho đồng ruộng. Phần còn lại thoát vào đường thủy dưới dạng dòng chảy nitrat hoặc đi vào khí quyển dưới dạng oxit nitơ, một loại khí nhà kính mạnh hơn khoảng 300 lần so với carbon dioxide trên mỗi đơn vị. Cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ ở cấp độ nhà máy là một trong những con đường trực tiếp nhất để giảm cả chi phí phân bón và thiệt hại về môi trường.
Các phương pháp tiếp cận hiện nay nhằm cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ tập trung chủ yếu vào mặt đất: lớp phủ-giải phóng chậm, chất ức chế quá trình nitrat hóa và thời gian áp dụng chính xác. Việc phát hiện HHO5 mở ra một con đường bổ sung bằng cách nhắm vào hệ thống dây điện điều tiết của chính nhà máy. Nếu các nhà tạo giống có thể điều chỉnh mức độ mạnh mẽ của HHO5 trong việc ngăn chặn sự hấp thụ nitơ, thì cây trồng có thể hút được nhiều nitơ hơn từ đất trước khi phanh hoạt động, làm giảm lượng phân bón chưa sử dụng còn sót lại.
Từ khám phá trong phòng thí nghiệm đến ứng dụng thực địa
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các dạng nitơ khác nhau có tác động khác biệt đến mức độ biểu hiện HHO5. Nitơ vô cơ, dạng được hấp thụ trực tiếp từ phân bón, gây ra một kiểu phản ứng khác với nitơ hữu cơ. Sự khác biệt này quan trọng vì nó cho thấy đường truyền tín hiệu đủ sắc thái để các nhà tạo giống có thể tinh chỉnh-mà không làm gián đoạn các quá trình trao đổi chất khác.
NYU đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế bao gồm nghiên cứu và tiềm năng ứng dụng của nó trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng nitơ của cây trồng. Trường đại học không tiết lộ các cuộc thảo luận cấp phép, nhưng bằng sáng chế báo hiệu mục đích thương mại.
Phát hiện này đến vào thời điểm chi phí phân bón nitơ đang tăng cao trên toàn cầu. Theo dữ liệu của USDA, giá urê bán lẻ của Hoa Kỳ đạt trung bình 594 USD/tấn vào đầu tháng 8 và chỉ giảm khiêm tốn so với mức đỉnh giữa{4}}năm do sự gián đoạn ở eo biển Hormuz. Bất kỳ cải tiến di truyền nào cho phép cây trồng thu được nhiều giá trị hơn từ mỗi tấn nitơ được sử dụng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến kinh tế trang trại.
Một lĩnh vực nghiên cứu hiệu quả sử dụng nitơ đang phát triển
Công trình của NYU phù hợp với làn sóng nghiên cứu hiệu quả sử dụng nitơ rộng hơn. Một nghiên cứu của Purdue được công bố vào tháng 7 đã xác định được một công tắc di truyền kiểm soát quá trình cố định đạm ở đậu nành, trong khi các nhà nghiên cứu của Đại học bang Washington đã báo cáo vào tháng 5 rằng các gen cố định đạm có thể được chuyển giữa các chủng vi khuẩn. Các công ty bao gồm Pivot Bio, Intrinsyx Bio và Kula Bio đang thương mại hóa các phương pháp vi sinh vật để cố định đạm sinh học.
Điều làm nên sự khác biệt của phát hiện HHO5 là nó tập trung vào tín hiệu của chính cây trồng hơn là hệ vi sinh vật trong đất. Nó nhắm đến một điểm kiểm soát quy định tồn tại ở tất cả các loại cây trồng, không chỉ các cây họ đậu, có nghĩa là về mặt lý thuyết, bất kỳ cải tiến nào cũng có thể áp dụng cho các loại cây ngũ cốc chính bao gồm ngô, lúa mì và gạo.
Tuy nhiên, việc chuyển một khám phá về yếu tố phiên mã thành một giống cây trồng thương mại thường phải mất một thập kỷ hoặc hơn. Giá trị trước mắt nằm ở việc cung cấp cho các nhà khoa học thực vật một mục tiêu di truyền cụ thể,{1}}có đặc tính rõ ràng để làm việc khi họ theo đuổi những giống cây cung cấp nhiều hạt hơn trên mỗi đơn vị nitơ được áp dụng.
